Cómo inducir el magnetismo en el grafeno
Molécula elusiva pronosticada en la década de 1970 sintetizada
El grafeno, una estructura bidimensional de carbono, es un material con excelentes propiedades mecánicas, electrónicas y ópticas. Sin embargo, no parecía adecuado para aplicaciones magnéticas. Junto con socios internacionales, los investigadores de Empa han logrado sintetizar un nanografeno único predicho en la década de 1970, lo que demuestra de manera concluyente que el car-bon en formas muy específicas tiene propiedades magnéticas que podrían permitir futuras aplicaciones espintrónicas.
Micrógrafo de barrido de alta resolución en 3D del cáliz de Clar.
Empa
Dependiendo de la forma y orientación de sus bordes, las nanoestructuras de grafeno (también conocidas como nanografías) pueden tener propiedades muy diferentes - por ejemplo, pueden tener un comportamiento conductor, semiconductor o aislante. Sin embargo, una propiedad ha sido hasta ahora esquiva: el magnetismo. Junto con colegas de la Universidad Técnica de Dresde, la Universidad de Aalto en Finlandia, el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros de Maguncia y la Universidad de Berna, los investigadores de Empa han logrado construir un nanogra-feno con propiedades magnéticas que podría ser un componente decisivo para la electrotécnica basada en espín que funciona a temperatura ambiente.
El grafeno consiste sólo en átomos de carbono, pero el magnetismo es una propiedad que apenas se asocia con el carbono. Entonces, ¿cómo es posible que los nanomateriales de carbono exhiban magnetismo? Para no entender esto, necesitamos hacer un viaje al mundo de la química y la física atómica.
Los átomos de carbono del grafeno están dispuestos en forma de panal. Cada átomo de carbono tiene tres vecinos, con los que forma enlaces simples o dobles alternados. En un enlace simple, un electrón de cada átomo - un llamado electrón de valencia - se une con su vecino; mientras que en un enlace doble, dos electrones de cada átomo participan. Esta representación alterna de compuestos orgánicos de una y dos uniones se conoce como la estructura Kekulé, que debe su nombre al químico alemán August Kekulé, quien propuso por primera vez esta representación para uno de los compuestos orgánicos más simples, el benceno. La regla aquí es que los pares de electrones que habitan la misma órbita deben diferir en su dirección de rotación - el llamado spin - una consecuencia del principio de exclusión de la mecánica cuántica de Pauli.
"Sin embargo, en ciertas estructuras hechas de hexágonos, uno nunca puede dibujar patrones de unión simples y dobles que satisfagan los requisitos de unión de cada átomo de carbono. Como consecuencia, en tales estructuras, uno o más electrones se ven forzados a permanecer sin emparejar y no pueden formar un enlace", explica Shantanu Mishra, quien está investigando nuevos nanogra-fenes en el laboratorio Empa nanotech@surface dirigido por Roman Fasel. Este fenómeno de desacoplamiento involuntario de electrones se llama "frustración topológica".
¿Pero qué tiene que ver esto con el magnetismo? La respuesta está en los "giros" de los elec-trones. La rotación de un electrón alrededor de su propio eje causa un pequeño campo magnético, un momento magnético. Si, como de costumbre, hay dos electrones con vueltas opuestas en una órbita de un átomo, estos campos magnéticos se cancelan mutuamente. Sin embargo, si un electrón está solo en su or-bital, el momento magnético permanece - y se produce un campo magnético medible.
Esto solo es fascinante. Pero para poder utilizar el espín de los electrones como elementos del circuito, se necesita un paso más. Una respuesta podría ser una estructura que parece una pajarita bajo un microscopio de barrido de túneles.
Dos electrones frustrados en una molécula
En los años 70, el químico checo Erich Clar, un distinguido experto en el campo de la química de los nanografiados, predijo una estructura en forma de pajarita conocida como "Clar's goblet". Consiste en dos mitades simétricas y está construido de tal manera que un electrón en cada una de las mitades debe permanecer topológicamente frustrado. Sin embargo, como los dos electrones están conectados a través de la estructura, están acoplados antiferromagnéticamente, es decir, sus espines se orientan necesariamente en direcciones opuestas.
En su estado antiferromagnético, la copa de Clar podría actuar como una puerta lógica "NOT": si se invierte la dirección del giro en la entrada, el giro de salida también debe ser forzado a girar.
Sin embargo, también es posible llevar la estructura a un estado ferromagnético, donde ambos giros se orientan en la misma dirección. Para ello, la estructura debe ser excitada con una energía de cer-tain, la llamada energía de acoplamiento de intercambio, de modo que uno de los electrones invierta su rotación.
Sin embargo, para que la puerta permanezca estable en su estado antiferromagnético, no debe cambiar espontáneamente al estado ferromagnético. Para que esto sea posible, la energía de acoplamiento de intercambio debe ser superior a la disipación de energía cuando la cancela funciona a temperatura ambiente. Este es un prerrequisito central para asegurar que un futuro circuito espintrónico basado en nanografías pueda funcionar sin problemas a temperatura ambiente.
De la teoría a la realidad
Sin embargo, hasta ahora, las nanoestructuras de carbono magnético estables a temperatura ambiente sólo han sido construcciones teóricas. Por primera vez, los investigadores han logrado producir tal estructura en la práctica, y han demostrado que la teoría corresponde a la realidad. "Darse cuenta de que la estructura es exigente, ya que la copa de Clar es altamente reactiva, y la síntesis es compleja", explica Mishra. Partiendo de una molécula precursora, los investigadores pudieron realizar el cáliz de Clar en vacío ultra alto sobre una superficie de oro, y demostrar experimentalmente que la molécula tiene exactamente las propiedades previstas.
Es importante destacar que pudieron demostrar que la energía de acoplamiento de intercambio en la copa de Clar es relativamente alta a 23 meV, lo que implica que las operaciones lógicas basadas en espín podrían ser estables a temperatura ambiente. "Este es un paso pequeño pero importante hacia la espintrónica", dice Roman Fasel.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
S. Mishra, D. Beyer, K. Eimre, S. Kezilebieke, R. Berger, O. Gröning, C. A. Pignedoli, K. Müllen, P. Liljeroth, P. Ruffieux, X. Feng and R. Fasel; "Topological frustration induces unconventional magnetism in a nanographene"; Nat. Nanotechnol; 2019.
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