Hur kan vi manipulera intermolekylär utbytesinteraktion för att uppnå långdistansspinnordning? Svaret på denna fråga är av stor betydelse för att förstå och modulera magnetiskt beteende i mikroskopisk skala och för att utveckla nya makroskopiska magnetiska material och anordningar.
Emellertid spelar temperatur och miljö en avgörande roll för molekylärt magnetiskt beteende och spinnordning. Vid höga temperaturer stör termisk höjning spinnordningen och inaktiverar intermolekylära utbytesinteraktioner.
Enligt Mermin-Wagner teorins förutsägelse finns det ingen spontan magnetisk ordning på lång räckvidd i tvådimensionella system. Därför återstår att förverkliga tvådimensionella rumstemperaturferromagnetiska molekylära material fortfarande att vara en utmaning på detta område. Om det löses kommer det att vara avgörande inte bara för en grundläggande förståelse av magnetismens natur utan också för att öppna nya vägar mot en ny plattform för magnetiskt material.
För att ta itu med denna fråga konstruerade en forskargrupp ledd av professor Wu Changzheng från Key Laboratory of Precision and Intelligent Chemistry vid University of Science and Technology of China (USTC) en ferromagnetisk ordning med lång räckvidd vid rumstemperatur och tillverkade ett molekylärt monolager av bikakeliknande koboltocen (Co(Cp)2 ), en förenklad form av Co(C5 H5 )2 ) i ett begränsat van der Waals mellanskiktsutrymme.
Forskare utvecklade den vibroniska superväxlingsinteraktionen mellan Co(Cp)2 molekyler och S-atomer baserade på den dynamiska laddningsöverföringen vid den organisk-oorganiska (Co(Cp)2 /SnS2 ) supergittergränssnitt, och realiserade en ferromagnetisk ordning på lång räckvidd mellan organiska molekyler, från vilken de erhöll de tvådimensionella ferromagnetiska molekylskikten vid hög övergångstemperatur (> 400 K) och stor mättnadsmagnetisering (4 emu.g -1) ) i ett svagt fält.
Forskare lyckades också karakterisera orienteringen av individuell Co(Cp)2 molekyler inneslutna mellan SnS2 skikt och strukturell sammansättning av bikakeliknande monolagermolekyl genom skanningssondmikroskopi i kombination med sveptunnelmikroskopi och atomkraftsmikroskopi.
Elektronmolnen i angränsande Co(Cp)2 molekyler slogs samman med varandra för att bilda delokaliserade elektroner, som mediterade spin-utbytesinteraktionerna mellan Co(Cp)2 molekyler.
Forskningsresultaten publicerades i Nature Physics.
Detta arbete realiserar en ny struktur av magnetiska fasta ämnen genom att modulera den molekylära spinnordningen, vilket förväntas ge bättre lösningar för applikationer som elektronik, informationslagring och kvantberäkningar.
Mer information: Yuhua Liu et al, Room-temperature long-range ferromagnetic order in a confined molecular monolayer, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02312-z
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av University of Science and Technology i Kina
