Dependiendo de la forma y orientación de sus bordes, las nanoestructuras de grafeno también conocidas como nanographenes pueden tener propiedades muy diferentes, por ejemplo, pueden exhibir un comportamiento conductor, semiconductor o aislante. Sin embargo, una propiedad hasta ahora ha sido esquiva:magnetismo: junto con colegas de la Universidad Técnica de Dresde, la Universidad de Aalto en Finlandia, el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz y la Universidad de Berna, los investigadores de Empa ahora han logrado construir un nanografeno con propiedades magnéticas que podrían ser un componente decisivo para el espínbasado en componentes electrónicos que funcionan a temperatura ambiente.
El grafeno se compone solo de átomos de carbono, pero el magnetismo es una propiedad apenas asociada con el carbono. Entonces, ¿cómo es posible que los nanomateriales de carbono exhiban magnetismo? Para entender esto, debemos hacer un viaje al mundo de la química y la física atómica.
Los átomos de carbono en el grafeno están dispuestos en una estructura de panal. Cada átomo de carbono tiene tres vecinos, con los que forma enlaces alternos simples o dobles. En un enlace simple, un electrón de cada átomo, un llamado electrón de valencia,- se une con su vecino; mientras que en un enlace doble, participan dos electrones de cada átomo. Esta representación alterna de enlaces orgánicos simples y dobles se conoce como la estructura de Kekulé, llamada así por el químico alemán August Kekulé, quien primero propuso esta representación para unodel compuesto orgánico más simple, el benceno. La regla aquí es que los pares de electrones que habitan en el mismo orbital deben diferir en su dirección de rotación, el llamado espín, una consecuencia del principio de exclusión de Pauli de la mecánica cuántica.
"Sin embargo, en ciertas estructuras hechas de hexágonos, uno nunca puede dibujar patrones alternativos de enlace simple y doble que satisfagan los requisitos de enlace de cada átomo de carbono. Como consecuencia, en tales estructuras, uno o más electrones se ven obligados a permanecer sin emparejar yno puede formar un vínculo ", explica Shantanu Mishra, quien está investigando nuevos nanografenos en el laboratorio de superficies de nanotecnología Empa dirigido por Roman Fasel. Este fenómeno de desemparejamiento involuntario de electrones se llama" frustración topológica ".
¿Pero qué tiene esto que ver con el magnetismo? La respuesta se encuentra en los "espines" de los electrones. La rotación de un electrón alrededor de su propio eje provoca un pequeño campo magnético, un momento magnético. Si, como de costumbre, haydos electrones con espines opuestos en un orbital de un átomo, estos campos magnéticos se cancelan entre sí. Sin embargo, si un electrón está solo en su orbital, el momento magnético permanece, y se produce un campo magnético medible.
Esto solo es fascinante. Pero para poder utilizar el giro de los electrones como elementos del circuito, se necesita un paso más. Una respuesta podría ser una estructura que se parezca a una corbata de lazo bajo un microscopio de túnel de barrido.
Dos electrones frustrados en una molécula
En la década de 1970, el químico checo Erich Clar, un distinguido experto en el campo de la química de nanografeno, predijo una estructura similar a una corbata de lazo conocida como "copa de Clar". Consiste en dos mitades simétricas y está construida de tal maneraque un electrón en cada una de las mitades debe permanecer topológicamente frustrado. Sin embargo, dado que los dos electrones están conectados a través de la estructura, están acoplados antiferromagnéticamente, es decir, sus espines necesariamente se orientan en direcciones opuestas.
En su estado antiferromagnético, la copa de Clar podría actuar como una puerta lógica "NO": si se invierte la dirección del giro en la entrada, el giro de salida también debe ser forzado a girar.
Sin embargo, también es posible llevar la estructura a un estado ferromagnético, donde ambos espines se orientan en la misma dirección. Para hacer esto, la estructura debe excitarse con una cierta energía, la llamada energía de acoplamiento de intercambio,para que uno de los electrones invierta su giro.
Sin embargo, para que la puerta permanezca estable en su estado antiferromagnético, no debe cambiar espontáneamente al estado ferromagnético. Para que esto sea posible, la energía de acoplamiento de intercambio debe ser mayor que la disipación de energía cuando la puerta se opera atemperatura ambiente. Este es un requisito previo central para garantizar que un futuro circuito espintrónico basado en nanografenos pueda funcionar sin fallas a temperatura ambiente.
De la teoría a la realidad
Hasta ahora, sin embargo, las nanoestructuras de carbono magnético estables a temperatura ambiente solo han sido construcciones teóricas. Por primera vez, los investigadores ahora han logrado producir dicha estructura en la práctica, y demostraron que la teoría sí corresponde a la realidad ".la estructura es exigente, ya que la copa de Clar es altamente reactiva, y la síntesis es compleja ", explica Mishra. A partir de una molécula precursora, los investigadores pudieron realizar la copa de Clar en ultra alto vacío en una superficie de oro, y demostraron experimentalmente que la moléculatiene exactamente las propiedades predichas.
Es importante destacar que pudieron demostrar que la energía de acoplamiento de intercambio en la copa de Clar es relativamente alta a 23 meV, lo que implica que las operaciones lógicas basadas en espín podrían por lo tanto ser estables a temperatura ambiente ". Este es un paso pequeño pero importante hacia la espintrónica,"dice Roman Fasel.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios federales suizos de ciencia y tecnología de materiales EMPA . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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