Att uppnå magnetisk ordning i lågdimensionella system bestående av endast en eller två dimensioner har varit ett forskningsmål under en tid. I en ny studie publicerad i tidskriften Naturkommunikation , Uppsalaforskare visar att magnetisk ordning kan skapas i ett tvådimensionellt schackbrätsgitter bestående av organometalliska molekyler som bara är ett atomskikt tjocka.

Magnetisk ordning är ett vanligt fenomen i tredimensionella material, såsom ferromagnetisk ordning i järnstavsmagneter, där de magnetiska momenten på alla järnatomer pekar i samma riktning. I en eller två dimensioner, långsträckt magnetisk ordning vid temperaturer högre än noll är inte möjlig, dock, enligt Mermin-Wagner-satsen. En möjlighet att uppnå en magnetisk fas utan sådan långdistansordning föreslogs av Kosterlitz och Thouless (Nobelpriset 2016), som förutspådde att en topologisk magnetisk virvel där de magnetiska stunderna pekar i olika riktningar och kompenserar varandra skulle kunna förverkligas i en tvådimensionell film.

Forskarna Ehesan Ali och Peter Oppeneer från Uppsala universitet har nu visat i ett internationellt samarbete med forskare från Schweiz och Indien att långdistansmagnetisk ordning kan skapas i specialdesignade molekylsystem bestående av järn- och manganftalocyaninmolekyler. Dessa molekyler, som har stora likheter med järnporfyrinerna som finns i naturligt blod, adsorberades på en guldmetallyta. Molekylerna reagerar inte med guldatomer, utan istället beställa sig själva i ett tvådimensionellt schackbrädesmönster bestående av alternerande järn- och manganbaserade molekyler. I detta tvådimensionella molekylgitter, forskarna kunde visa magnetisk ordning vid låga temperaturer på bara några grader Kelvin.

Genom storskaliga datorsimuleringar, Uppsalaforskarna kunde visa en svag interaktion mellan magnetiska ögonblick på den närliggande molekylen, som överfördes genom guldelektronerna, den så kallade Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaktionen. Även om metallftalocyaninmolekylerna inte reagerar kemiskt med ädelmetallen guld, guldets elektroner känner av de magnetiska rotationsmomenten på molekylen och överför denna information till den närliggande molekylen.

Forskarna upptäckte också att en annan grundläggande fysisk interaktion, Kondo -screening, motverkade den magnetiska ordningen. Detta inträffade eftersom guldelektronerna ändrade sina spinnmagnetiska ögonblick för att neutralisera molekylens ögonblick, något de inte riktigt lyckades med, och därför bildades långdistansmagnetisk ordning.

"Det var fantastiskt att våra noggranna beräkningar kunde fastställa hur magnetisk ordning bildas i molekylskiktet, säger Peter Oppeneer, Professor vid Institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet. "Vår upptäckt kan bana väg för att studera hittills okända kvantmagnetiska tillstånd, och bidrar till förverkligandet av molekylär kvantspintronik."