grafen, en tvådimensionell bikakestruktur gjord av kolatomer med en tjocklek av endast en atom, har många enastående egenskaper. Dessa inkluderar enormt mekaniskt motstånd och extraordinära elektroniska och optiska egenskaper. Förra året kunde ett team under ledning av Empa-forskaren Roman Fasel visa att det till och med kan vara magnetiskt:de lyckades syntetisera en molekyl i form av en fluga, som har speciella magnetiska egenskaper.

Nu, forskare rapporterar om ytterligare ett genombrott. Teoretiskt arbete från 2007 förutspådde att grafen kunde uppvisa magnetiskt beteende om det skars i små trianglar. Under de senaste tre åren, flera lag, inklusive Empa-teamet, har lyckats framställa de så kallade triangulenerna, som bara består av några dussin kolatomer, genom kemisk syntes under ultrahögt vakuum.

På magnetismens spår med scanningstunnelmikroskopet

Dock, deras magnetism hade förblivit oupptäckt tills nu. Först, förekomsten av oparade snurr, som gör triangulerna magnetiska i första hand, gör dem också extremt reaktiva. För det andra, även med stabila molekyler, det är extremt svårt att bevisa magnetismen hos en så liten bit materia. Men nu är en internationell grupp forskare från Empa, Dresdens tekniska universitet, universitetet i Alicante och International Iberian Nanotechnology Laboratory i Portugal har lyckats med just detta.

Genombrottet möjliggjordes av ett kraftfullt verktyg för att undersöka materia på atomnivå - scanning tunneling microscope (STM). STM gör det möjligt att leda elektriska strömmar genom enskilda atomer eller nanostrukturer avsatta på ett ledande substrat. Än så länge, dock, individuella triangulener hade bara gett indirekt bevis på deras magnetiska natur.

Dubbel triangel med kvantintrassling

Nu, dock, forskarna har undersökt molekyler där två triangulener är förenade med en enda kol-kolbindning (så kallade triangulendimerer). Dessa strukturer gav direkta bevis på triangulens magnetiska natur. Detta beror på att teorin säger följande:om två trianguler är sammanfogade, inte bara är deras magnetism bevarad; deras magnetiska moment bör också bilda ett "kvanttrasslat" tillstånd. Det betyder att snurrarna – de små magnetiska momenten – hos deras oparade elektroner bör peka i motsatta riktningar. Detta tillstånd är känt som det antiferromagnetiska (eller spin-0) tillståndet.

Dessutom, teorin förutspådde också att det borde vara möjligt att excitera triangulendimererna till ett tillstånd där deras spinn inte längre är perfekt inriktade (spin-1-tillstånd). Energin som krävs för att orsaka denna excitation, den så kallade utbytesenergin, reflekterar styrkan med vilken spinnen av de två triangulenerna i dimererna är bundna i det antiferromagnetiska tillståndet. Och faktiskt i sina experiment, forskarna fann att triangulendimeren kan exciteras till spin 1-tillståndet genom att injicera elektroner med en energi på 14 meV.

Organiska magnetiska material för spintronik

Forskarna syntetiserade också en andra triangulendimer där triangulenenheterna inte var direkt förbundna med en kol-kol enkelbindning, men av en "spacer", en hexagonal kolring. Forskarna förväntade sig att detta större kopplingselement mellan triangulenenheterna avsevärt skulle minska utbytesenergin. Och detta är precis vad experimenten visade:utbytesenergin var nu bara 2 meV—85 % mindre än med de direkt anslutna triangulenerna.

Dessa resultat är relevanta inte bara för att de ger direkta bevis för den efterlängtade magnetismen i trianguler, men också för att de visar hur dessa märkliga nanosystem kan kombineras för att bilda större strukturer med kvantintrasslade magnetiska tillstånd. I framtiden, sådana nya (och rent organiska) magnetiska material skulle inte bara kunna användas i teknologier som spinnbaserad informationsbehandling, som lovar snabbare datorer med lägre strömförbrukning, eller inom kvantteknik; men de kunde också ge grogrund för studiet av exotiska fysiska fenomen.