Ett 2D-nanomaterial som består av organiska molekyler kopplade till metallatomer i en specifik atomskala geometri visar icke-triviala elektroniska och magnetiska egenskaper på grund av starka interaktioner mellan dess elektroner.

En ny studie, publiceras idag, visar uppkomsten av magnetism i ett 2D-organiskt material på grund av starka elektron-elektroninteraktioner; dessa interaktioner är den direkta konsekvensen av materialets unika, stjärnliknande struktur i atomskala.

Detta är den första observationen av lokala magnetiska moment som uppstår från interaktioner mellan elektroner i ett atomärt tunt 2D-organiskt material.

Fynden har potential för tillämpningar i nästa generations elektronik baserad på organiska nanomaterial, där inställning av interaktioner mellan elektroner kan leda till ett stort antal elektroniska och magnetiska faser och egenskaper.

Starka elektron-elektron-interaktioner i ett 2D-organiskt kagome-material

Monash University-studien undersökte ett 2D-metallorganiskt nanomaterial sammansatt av organiska molekyler arrangerade i en kagome-geometri, det är, efter ett "stjärnliknande" mönster.

Det 2D metallorganiska nanomaterialet består av dicyanoantracen (DCA) molekyler koordinerade med kopparatomer på en svagt interagerande metallyta (silver).

Med hjälp av noggranna och atomärt exakta scanning probe microscopy (SPM) mätningar, forskarna fann att den 2D-metallorganiska strukturen - vars molekylära och atomära byggstenar i sig är icke-magnetiska - är värd för magnetiska moment som är begränsade till specifika platser.

Teoretiska beräkningar visade att denna framväxande magnetism beror på stark elektron-elektron Coulomb-repulsion som ges av den specifika 2D-kagome-geometrin.

"Vi tror att detta kan vara viktigt för utvecklingen av framtida elektronik- och spintronikteknologier baserade på organiska material, där inställning av interaktioner mellan elektroner kan leda till kontroll över ett brett spektrum av elektroniska och magnetiska egenskaper, säger FLEET CI A/Prof Agustin Schiffrin.

Direkt sondering av magnetism via Kondo-effekten

Elektronerna i 2D-material med en kagomekristallstruktur kan utsättas för starka Coulomb-interaktioner på grund av destruktiv vågfunktionsinterferens och kvantlokalisering, leder till ett brett spektrum av topologiska och starkt korrelerade elektroniska faser.

Sådana starka elektroniska korrelationer kan manifestera sig via uppkomsten av magnetism, och, tills nu, har inte observerats i atomärt tunna 2D-organiska material. Det senare kan vara fördelaktigt för solid state-teknologier på grund av deras avstämbarhet och självmonteringsförmåga.

I den här studien, magnetism som härrör från starka elektron-elektron Coulomb-interaktioner i ett 2D-kagome-organiskt material avslöjades via observationen av Kondo-effekten.

"Kondo-effekten är ett fenomen med många kroppar som uppstår när magnetiska moment avskärmas av ett hav av ledningselektroner. T.ex. från en underliggande metall, " säger huvudförfattaren och FLEET-medlemmen Dr. Dhaneesh Kumar. "Och denna effekt kan upptäckas med SPM-tekniker."

"Vi observerade Kondo-effekten, och därifrån drog slutsatsen att det organiska 2D-materialet måste vara värd för magnetiska moment. Frågan blev då "var kommer denna magnetism ifrån?"

Teoretisk modellering av Bernard Field och kollegor visade otvetydigt att denna magnetism är den direkta konsekvensen av starka Coulomb-interaktioner mellan elektroner. Dessa interaktioner uppträder endast när vi för in de normalt icke-magnetiska delarna i en 2D kagome metall-organisk ram. Dessa interaktioner hindrar elektronparning, med spinn av oparade elektroner som ger upphov till lokala magnetiska moment.

"Teoretisk modellering i denna studie ger en unik insikt i rikedomen i samspelet mellan kvantkorrelationer, och de topologiska och magnetiska faserna. Studien ger oss några tips om hur dessa icke-triviala faser kan kontrolleras i 2D kagome-material för potentiella tillämpningar inom banbrytande elektronikteknologier, säger FLEET CI A/Prof Nikhil Medhekar.