p Grafeno, uma estrutura bidimensional feita de carbono, é um material com excelente mecânica, propriedades eletrônicas e ópticas. Contudo, não parecia adequado para aplicações magnéticas. Junto com parceiros internacionais, Os pesquisadores da Empa conseguiram sintetizar um nanografeno único previsto na década de 1970, o que demonstra conclusivamente que o carbono em formas muito específicas tem propriedades magnéticas que podem permitir futuras aplicações spintrônicas. Os resultados acabam de ser publicados na conceituada revista. Nature Nanotechnology . p Dependendo da forma e orientação de suas bordas, nanoestruturas de grafeno (também conhecidas como nanografenos) podem ter propriedades muito diferentes, por exemplo, eles podem exibir condução, comportamento semicondutor ou isolante. Contudo, uma propriedade até agora tem sido evasiva:magnetismo. Junto com colegas da Universidade Técnica de Dresden, Aalto University na Finlândia, Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros em Mainz e Universidade de Berna, Os pesquisadores da Empa agora conseguiram construir um nanografeno com propriedades magnéticas que poderia ser um componente decisivo para a eletrônica baseada em spin funcionando em temperatura ambiente.

p O grafeno consiste apenas em átomos de carbono, mas o magnetismo é uma propriedade dificilmente associada ao carbono. Então, como é possível que nanomateriais de carbono exibam magnetismo? Para entender isso, precisamos fazer uma viagem ao mundo da química e da física atômica.

p Os átomos de carbono no grafeno são organizados em uma estrutura de favo de mel. Cada átomo de carbono tem três vizinhos, com o qual forma ligações alternadas simples ou duplas. Em um único vínculo, um elétron de cada átomo - o chamado elétron de valência - liga-se ao seu vizinho; enquanto em uma ligação dupla, dois elétrons de cada átomo participam. Esta representação alternada de ligações simples e duplas de compostos orgânicos é conhecida como estrutura Kekulé, em homenagem ao químico alemão August Kekulé que primeiro propôs esta representação para um dos compostos orgânicos mais simples, benzeno (Figura 1). A regra aqui é que os pares de elétrons que habitam o mesmo orbital devem diferir em sua direção de rotação - o chamado spin - uma consequência do princípio de exclusão de Pauli da mecânica quântica.

p "Contudo, em certas estruturas feitas de hexágonos, nunca se pode desenhar padrões alternados de ligações simples e duplas que satisfaçam os requisitos de ligação de cada átomo de carbono. Como consequência, em tais estruturas, um ou mais elétrons são forçados a permanecer desemparelhados e não podem formar uma ligação, "explica Shantanu Mishra, que está pesquisando novos nanographenes no laboratório Empa nanotech @ surface chefiado por Roman Fasel. Esse fenômeno de desemparelhamento involuntário de elétrons é denominado "frustração topológica" (Figura 1).

p Mas o que isso tem a ver com magnetismo? A resposta está nos "spins" dos elétrons. A rotação de um elétron em torno de seu próprio eixo causa um minúsculo campo magnético, um momento magnético. Se, como sempre, existem dois elétrons com spins opostos em um orbital de um átomo, esses campos magnéticos se cancelam. Se, Contudo, um elétron está sozinho em seu orbital, o momento magnético permanece - e um campo magnético mensurável resulta.

p Só isso é fascinante. Mas, para poder usar o spin dos elétrons como elementos de circuito, mais uma etapa é necessária. Uma resposta poderia ser uma estrutura que se parece com uma gravata borboleta sob um microscópio de varredura por tunelamento (Figura 2).

p Dois elétrons frustrados em uma molécula

p Na década de 1970, o químico tcheco Erich Clar, um distinto especialista no campo da química do nanógrafo, previu uma estrutura semelhante a uma gravata borboleta conhecida como "cálice de Clar" (Figura 1). Ele consiste em duas metades simétricas e é construído de tal forma que um elétron em cada uma das metades deve permanecer topologicamente frustrado. Contudo, uma vez que os dois elétrons estão conectados através da estrutura, eles são antiferromagneticamente acoplados, isto é, seus spins necessariamente se orientam em direções opostas.

p Em seu estado antiferromagnético, A taça de Clar pode atuar como uma porta lógica "NÃO":se a direção do giro na entrada for invertida, a rotação de saída também deve ser forçada a girar.

p Contudo, também é possível levar a estrutura a um estado ferromagnético, onde os dois giros se orientam na mesma direção. Para fazer isso, a estrutura deve ser excitada com uma certa energia, a chamada energia de troca de acoplamento, de modo que um dos elétrons inverte seu spin.

p Para que o portão permaneça estável em seu estado antiferromagnético, Contudo, não deve mudar espontaneamente para o estado ferromagnético. Para que isso seja possível, a energia do acoplamento de troca deve ser maior do que a dissipação de energia quando o portão é operado em temperatura ambiente. Este é um pré-requisito central para garantir que um futuro circuito spintrônico baseado em nanographenes possa funcionar perfeitamente à temperatura ambiente.

p Da teoria à realidade

p Até aqui, Contudo, nanoestruturas de carbono magnéticas estáveis ​​à temperatura ambiente têm sido apenas construções teóricas. Pela primeira vez, os pesquisadores agora conseguiram produzir tal estrutura na prática, e mostrou que a teoria corresponde à realidade. “Perceber a estrutura é exigente, uma vez que a taça de Clar é altamente reativa, e a síntese é complexa, "explica Mishra. Partindo de uma molécula precursora, os pesquisadores foram capazes de realizar a taça de Clar em vácuo ultra-alto em uma superfície de ouro, e demonstrar experimentalmente que a molécula tem exatamente as propriedades previstas.

p Mais importante, eles foram capazes de mostrar que a energia de acoplamento de troca no cálice de Clar é relativamente alta a 23 meV (Figura 2), implicando que as operações lógicas baseadas em spin podem, portanto, ser estáveis ​​à temperatura ambiente. "Este é um pequeno, mas importante passo em direção à spintrônica, "diz Roman Fasel.