Los nanotriángulos unidos abren el camino a los materiales de carbono magnético

El entrelazamiento cuántico en nanoestructuras de grafeno

04.06.2020 - Suiza

Los triángulos grafenos con una longitud de borde de sólo unos pocos átomos se comportan como peculiares imanes cuánticos. Cuando dos de estos nano-trángulos se unen, se produce un "entrelazamiento cuántico" de sus momentos magnéticos: la estructura se vuelve antiferromagnética. Esto podría ser un gran avance para los futuros materiales magnéticos, y otro paso hacia la espintrónica. Un grupo internacional liderado por investigadores de Empa publicó recientemente los resultados en la revista "Angewandte Chemie".

El "material milagroso" grafeno - una estructura bidimensional en forma de panal hecha de átomos de carbono con un grosor de sólo un átomo - tiene numerosas propiedades sobresalientes. Estas incluyen una enorme resistencia mecánica y extraordinarias propiedades electrónicas y ópticas. El año pasado un equipo dirigido por el investigador de Empa Roman Fasel fue capaz de demostrar que incluso puede ser magnético: lograron sintetizar una molécula en forma de corbata, que tiene propiedades magnéticas especiales.

Ahora se ha hecho otro avance en esta dirección. El trabajo teórico de 2007 predijo que el grafeno podría exhibir un comportamiento magnético si se cortaba en pequeños triángulos. Durante los últimos tres años, varios equipos, incluyendo el equipo de Empa, han tenido éxito en la producción de los llamados triangulenos, que consisten en sólo unas pocas docenas de átomos de carbono, por síntesis química bajo un vacío ultra alto.

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En la pista del magnetismo con el microscopio de túnel de barrido

Sin embargo, su magnetismo había permanecido sin descubrir hasta ahora. Primero, la presencia de espines no apareados, que hacen que los triangulenes sean magnéticos en primer lugar, también los hace extremadamente reactivos. En segundo lugar, incluso con moléculas estables, es extremadamente difícil probar el magnetismo de un trozo tan pequeño de materia. Pero ahora un grupo internacional de científicos de Empa, la Universidad Técnica de Dresde, la Universidad de Alicante y el Laboratorio Internacional de Nanotecnología Ibérica en Portugal ha logrado hacer justamente eso.

Este avance fue posible gracias a una poderosa herramienta para la investigación de la materia a nivel atómico: el microscopio de barrido de túnel (STM). El STM permite conducir corrientes eléctricas a través de átomos individuales o nanoestructuras depositadas en un sustrato conductor. Hasta ahora, sin embargo, los triangulenes individuales sólo han proporcionado pruebas indirectas de su naturaleza magnética.

Doble triángulo con entrelazamiento cuántico

Ahora, sin embargo, los investigadores han examinado las moléculas en las que dos triangulenes están unidos por un único enlace carbono-carbono (los llamados dímeros de trianguleno). Estas estructuras proporcionaron pruebas directas de la naturaleza magnética de los triangulenes. Esto se debe a que la teoría dice lo siguiente: si dos triangulenes se unen, no sólo se conserva su magnetismo, sino que sus momentos magnéticos también deberían formar un estado de "enredo cuántico". Esto significa que los giros - los diminutos momentos magnéticos - de sus electrones no apareados deberían apuntar en direcciones opuestas. Este estado se conoce como el estado antiferromagnético (o spin-0).

Además, la teoría también predijo que debería ser posible excitar los dímeros triangulares hasta un estado en el que sus espines ya no están perfectamente alineados (estado de espín-1). La energía necesaria para causar esta excitación, la llamada energía de intercambio, refleja la fuerza con la que los espines de los dos triangulenes de los dímeros están unidos en el estado antiferromagnético. Y de hecho, en sus experimentos, los investigadores encontraron que el dímero del trianguleno puede ser excitado hasta el estado de espín 1 inyectando electrones con una energía de 14 meV.

Materiales magnéticos orgánicos para la espintrónica

Los científicos también sintetizaron un segundo dímero de trianguleno en el que las unidades de trianguleno no estaban directamente conectadas por un único enlace de carbono y carbono, sino por un "espaciador", un anillo hexagonal de carbono. Los investigadores esperaban que este elemento de conexión más grande entre las unidades de trianguleno redujera significativamente la energía de intercambio. Y esto es exactamente lo que los experimentos mostraron: la energía de intercambio era ahora sólo 2 meV - 85% menos que con los triangulenes directamente conectados.

Estos resultados son relevantes no sólo porque proporcionan una evidencia directa del tan esperado magnetismo de los triángulos, sino también porque muestran cómo estos notables nanosistemas pueden combinarse para formar estructuras más grandes con estados magnéticos cuánticos enmarañados. En el futuro, esos nuevos materiales magnéticos (y puramente orgánicos) no sólo podrían utilizarse en tecnologías como el procesamiento de información basado en el espín, que promete computadoras más rápidas con menor consumo de energía, o en tecnologías cuánticas; sino que también podrían proporcionar un terreno fértil para el estudio de fenómenos físicos exóticos.

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, R Ortiz, J Fernández-Rossier, R Berger, O Gröning, CA Pignedoli, R Fasel, X Feng, P Ruffieux; "Collective All-Carbon Magnetism in Triangulene Dimers"; Angew. Chem. Int. Ed.; (2020)

https://www.quimica.es/noticias/1166567/los-nanotriangulos-unidos-abren-el-camino-a-los-materiales-de-carbono-magnetico.html