Как вызвать магнетизм в графене

В зависимости от формы и ориентации их краев графеновых наноструктур (также известный как nanographenes) могут иметь самые разные свойства, например, они могут проявлять проводящим, полупроводящим или изолирующим поведения. Однако, одно свойство пока не достигнута: магнетизм. Вместе с коллегами из Технического университета в Дрездене и Университета Аалто в Финляндии, Макс Планк Институт исследования полимера в Майнц и Университетом Берна, Эмпа исследователи уже добились успеха в создании nanographene с магнитными свойствами, что может стать решающим компонентом для спин-электронное устройство функционирует при комнатной температуре.

Графен состоит только из атомов углерода, но магнетизм-это свойство вряд ли связан с углеродом. Так как углеродные наноматериалы проявляют магнетизм? Чтобы понять это, мы должны отправиться в путешествие в мир химии и атомной физики.

Атомы углерода в графене расположены в гексагональной структуре. Каждый атом углерода имеет трех соседей, с которыми он образует чередующихся одинарных и двойных связей. В одинарной связью, один электрон от каждого атома — так называемый валентный электрон — связывает со своим соседом; в то время как в двойной связью, два электрона от каждого атома участвуют. Этот чередующихся одинарных и двойных представительства связь органических соединений известна как структура Кекуле, названный в честь немецкого химика августа Кекуле, который впервые предложил это представление для одного из простейших органических соединений, бензола . Правило здесь состоит в том, что пары электронов, населяющих ту же орбиталь, должны отличаться по их направлению вращения-так называемый спин-следствие принципа Паули в квантовой механике Паули.

«Тем не менее, в определенных конструкций, выполненных из шестиугольников, можно не рисовать чередующихся одинарных и паттерны двойной связью, которые удовлетворяют требованиям склеивания каждого атома углерода. Как следствие, в таких структурах, один или более электронов вынуждены оставаться непарный и не могут установить связь», — объясняет Шантану Мишра, который исследует Роман nanographenes в Эмпа нанотехнологическую лабораторию поверхности возглавляет Роман Фазель. Этот феномен непроизвольного отмена сопряжения электронов называется «топологические разочарования».

Но какое это имеет отношение к магнетизму? Ответ лежит в плоскости «вращения» электронов. Вращение электрона вокруг собственной оси вызывает крошечные магнитные поля, магнитный момент. Если, как обычно, есть два электрона с противоположными спинами в орбиталью атома, эти магнитные поля компенсируют друг друга. Однако, если электрон находится в покое в его орбитальный магнитный момент остается … и поддающихся оценке результатов магнитного поля.

Это само по себе увлекательное. Но для того, чтобы иметь возможность использовать спин электрона в качестве элементов цепи, нужен еще один шаг. Один ответ может быть структура, которая выглядит как галстук-бабочка под сканирующий туннельный микроскоп.

Два разочарованных электронов в одной молекуле

Еще в 1970-х годах чешский химик Клар Э., выдающийся специалист в области химии nanographene, предсказал галстук-как структуры, известной как «Кубок экспе-х». Он состоит из двух симметричных половинок и строится таким образом, что один электрон в каждом из таймов должна оставаться топологически расстроен. Однако, поскольку два электрона связаны через структуру, они antiferromagnetically в сочетании-то есть, их спины всегда ориентируют в противоположных направлениях.

В свое состояние антиферромагнитной, Кубок Клар может выступать в качестве «не» строба логики: если направление вращения на входе вспять, спина, выход должен быть вынужден повернуть.

Однако, это также возможно, чтобы привести структуру в ферромагнитное состояние, где спины ориентировать в том же направлении. Для этого структура должна быть возбуждена с определенной энергией, так называемого обменного взаимодействия энергии, так что один из электронов меняет спин.

Для того, чтобы ворота оставались стабильны в своем состоянии антиферромагнетика, однако, она не должна самопроизвольно переключаться в ферромагнитное состояние. Чтобы это стало возможным, обменная связь энергии должна быть выше, чем энергия диссипации, когда ворота эксплуатируются при комнатной температуре. Это является главным условием для обеспечения будущих спинтронных цепи на основе nanographenes может функционировать безупречно при комнатной температуре.

От теории к реальности

До сих пор, однако, стабилен при комнатной температуре магнитные углеродные наноструктуры имеют только теоретические конструкции. Впервые, исследователям удалось в создании такой структуры на практике и показали, что теория не соответствует действительности. «Осознавая структура требует, так как Кубок Клар является высокореакционной и синтез комплекса», — поясняет Мишра. Начиная от молекулы предшественника, исследователи смогли реализовать Кубок Клар в сверхвысоком вакууме на поверхности золота, и экспериментально доказывают, что молекула имеет точно предсказанными свойствами.

Главное, они сумели показать, что обменное взаимодействие энергии в бокаловидных Клар находится на достаточно высоком уровне в 23 МэВ, что означает, что спин-поэтому логические операции могут быть стабильными при комнатной температуре. «Это небольшой, но важный шаг к спинтронике», — говорит Роман Фазель.

сделать разницу: спонсорские возможности