grafen, en tvådimensionell struktur gjord av kol, är ett material med utmärkt mekanisk, elektroniska och optiska egenskaper. Dock, den verkade inte lämplig för magnetiska tillämpningar. Tillsammans med internationella partners, Empa-forskare har nu lyckats syntetisera en unik nanografen som förutspåddes på 1970-talet, vilket definitivt visar att kol i mycket specifika former har magnetiska egenskaper som skulle kunna möjliggöra framtida spintroniska tillämpningar. Resultaten har precis publicerats i den välrenommerade tidskriften Naturens nanoteknik .

Beroende på formen och orienteringen av deras kanter, grafen nanostrukturer (även känd som nanografener) kan ha mycket olika egenskaper, t.ex. de kan ställa ut dirigering, halvledande eller isolerande beteende. Dock, en egenskap har hittills varit svårfångad:magnetism. Tillsammans med kollegor från det tekniska universitetet i Dresden, Aalto-universitetet i Finland, Max Planck-institutet för polymerforskning i Mainz och universitetet i Bern, Empa-forskare har nu lyckats bygga en nanografen med magnetiska egenskaper som kan vara en avgörande komponent för att spinnbaserad elektronik ska fungera i rumstemperatur.

Grafen består endast av kolatomer, men magnetism är en egenskap som knappast förknippas med kol. Så hur är det möjligt för kolnanomaterial att uppvisa magnetism? För att förstå detta, vi måste ta en resa in i kemins och atomfysikens värld.

Kolatomerna i grafen är ordnade i en bikakestruktur. Varje kolatom har tre grannar, med vilken den bildar alternerande enkel- eller dubbelbindningar. I en enda bindning, en elektron från varje atom — en så kallad valenselektron — binder med sin granne; i en dubbelbindning, två elektroner från varje atom deltar. Denna alternerande enkel- och dubbelbindningsrepresentation av organiska föreningar är känd som Kekulé-strukturen, uppkallad efter den tyske kemisten August Kekulé som först föreslog denna representation för en av de enklaste organiska föreningarna, bensen (Figur 1). Regeln här är att elektronpar som bor i samma orbital måste skilja sig åt i sin rotationsriktning – det så kallade spinnet – en konsekvens av den kvantmekaniska Paulis uteslutningsprincip.

"Dock, i vissa strukturer gjorda av hexagoner, man kan aldrig rita omväxlande enkel- och dubbelbindningsmönster som uppfyller bindningskraven för varje kolatom. Som en konsekvens, i sådana strukturer, en eller flera elektroner tvingas förbli oparade och kan inte bilda en bindning, " förklarar Shantanu Mishra, som forskar om nya nanografener i Empa nanotech@surfaces-laboratoriet som leds av Roman Fasel. Detta fenomen med ofrivillig avparning av elektroner kallas "topologisk frustration" (Figur 1).

Men vad har detta med magnetism att göra? Svaret ligger i elektronernas "snurr". Rotationen av en elektron runt sin egen axel orsakar ett litet magnetfält, ett magnetiskt ögonblick. Om, som vanligt, det finns två elektroner med motsatta spinn i en atoms omloppsbana, dessa magnetfält upphäver varandra. Om, dock, en elektron är ensam i sin omloppsbana, det magnetiska momentet kvarstår – och ett mätbart magnetfält blir resultatet.

Bara detta är fascinerande. Men för att kunna använda elektronernas spinn som kretselement, ett steg till behövs. Ett svar kan vara en struktur som ser ut som en fluga under ett scanningstunnelmikroskop (Figur 2).

Två frustrerade elektroner i en molekyl

Tillbaka på 1970-talet, den tjeckiske kemisten Erich Clar, en framstående expert inom området nanografenkemi, förutspådde en fluga-liknande struktur känd som "Clars bägare" (Figur 1). Den består av två symmetriska halvor och är konstruerad på ett sådant sätt att en elektron i var och en av halvorna måste förbli topologiskt frustrerad. Dock, eftersom de två elektronerna är sammankopplade via strukturen, de är antiferromagnetiskt kopplade – dvs. deras snurr orienterar nödvändigtvis i motsatta riktningar.

I sitt antiferromagnetiska tillstånd, Clars bägare skulle kunna fungera som en "NOT" logisk grind:om snurrriktningen vid ingången är omvänd, utgående spinn måste också tvingas att rotera.

Dock, det är också möjligt att föra strukturen i ett ferromagnetiskt tillstånd, där båda snurren orienterar i samma riktning. Att göra detta, strukturen måste exciteras med en viss energi, den så kallade utbyteskopplingsenergin, så att en av elektronerna vänder på sitt spinn.

För att grinden ska förbli stabil i sitt antiferromagnetiska tillstånd, dock, den får inte spontant växla till ferromagnetiskt tillstånd. För att detta ska vara möjligt, utbyteskopplingsenergin måste vara högre än energiförlusten när grinden drivs i rumstemperatur. Detta är en central förutsättning för att säkerställa att en framtida spintronisk krets baserad på nanografener kan fungera felfritt i rumstemperatur.

Från teori till verklighet

Än så länge, dock, rumstemperaturstabila magnetiska kolnanostrukturer har bara varit teoretiska konstruktioner. För första gången, forskarna har nu lyckats få fram en sådan struktur i praktiken, och visade att teorin överensstämmer med verkligheten. "Att inse att strukturen är krävande, eftersom Clars bägare är mycket reaktiv, och syntesen är komplex, " förklarar Mishra. Utgående från en prekursormolekyl, forskarna kunde realisera Clars bägare i ultrahögt vakuum på en guldyta, och experimentellt demonstrera att molekylen har exakt de förutsagda egenskaperna.

Viktigt, de kunde visa att utbyteskopplingsenergin i Clars bägare är relativt hög vid 23 meV (Figur 2), vilket antyder att spinnbaserade logiska operationer därför skulle kunna vara stabila vid rumstemperatur. "Detta är ett litet men viktigt steg mot spintronics, säger Roman Fasel.