Grafene, una struttura bidimensionale in carbonio, è un materiale con ottima meccanica, proprietà elettroniche ed ottiche. Però, non sembrava adatto per applicazioni magnetiche. Insieme a partner internazionali, I ricercatori dell'Empa sono ora riusciti a sintetizzare un nanographene unico previsto negli anni '70, che dimostra in modo conclusivo che il carbonio in forme molto specifiche ha proprietà magnetiche che potrebbero consentire future applicazioni spintroniche. I risultati sono stati appena pubblicati sulla rinomata rivista Nanotecnologia della natura .

A seconda della forma e dell'orientamento dei loro bordi, le nanostrutture di grafene (note anche come nanographene) possono avere proprietà molto diverse, ad esempio possono esibire la conduzione, comportamento semiconduttore o isolante. Però, una proprietà è stata finora sfuggente:il magnetismo. Insieme ai colleghi dell'Università tecnica di Dresda, Università Aalto in Finlandia, Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri a Magonza e Università di Berna, I ricercatori dell'Empa sono ora riusciti a costruire un nanografene con proprietà magnetiche che potrebbe essere un componente decisivo per il funzionamento dell'elettronica basata sullo spin a temperatura ambiente.

Il grafene è costituito solo da atomi di carbonio, ma il magnetismo è una proprietà difficilmente associata al carbonio. Quindi, come è possibile che i nanomateriali di carbonio mostrino magnetismo? Per capire questo, dobbiamo fare un viaggio nel mondo della chimica e della fisica atomica.

Gli atomi di carbonio nel grafene sono disposti in una struttura a nido d'ape. Ogni atomo di carbonio ha tre vicini, con cui forma alternati legami singoli o doppi. In un unico legame, un elettrone di ciascun atomo, un cosiddetto elettrone di valenza, si lega al suo vicino; mentre in un doppio legame, partecipano due elettroni di ogni atomo. Questa rappresentazione alternata di legame singolo e doppio dei composti organici è nota come struttura Kekulé, prende il nome dal chimico tedesco August Kekulé che per primo propose questa rappresentazione per uno dei più semplici composti organici, benzene (Figura 1). La regola qui è che le coppie di elettroni che abitano lo stesso orbitale devono differire nella loro direzione di rotazione, il cosiddetto spin, una conseguenza del principio di esclusione della meccanica quantistica di Pauli.

"Però, in certe strutture fatte di esagoni, non si possono mai disegnare schemi di legame alternati singoli e doppi che soddisfino i requisiti di legame di ogni atomo di carbonio. Come conseguenza, in tali strutture, uno o più elettroni sono costretti a rimanere spaiati e non possono formare un legame, " spiega Shantanu Mishra, che sta ricercando nuovi nanografi nel laboratorio Empa nanotech@surfaces diretto da Roman Fasel. Questo fenomeno di disaccoppiamento involontario degli elettroni è chiamato "frustrazione topologica" (Figura 1).

Ma cosa ha a che fare questo con il magnetismo? La risposta sta negli "spin" degli elettroni. La rotazione di un elettrone attorno al proprio asse provoca un minuscolo campo magnetico, un momento magnetico Se, come di solito, ci sono due elettroni con spin opposto in un orbitale di un atomo, questi campi magnetici si annullano a vicenda. Se, però, un elettrone è solo nel suo orbitale, il momento magnetico rimane e ne risulta un campo magnetico misurabile.

Già solo questo è affascinante. Ma per poter usare lo spin degli elettroni come elementi del circuito, è necessario un altro passo. Una risposta potrebbe essere una struttura che assomigli a un papillon al microscopio a scansione a effetto tunnel (Figura 2).

Due elettroni frustrati in una molecola

Già negli anni '70, il chimico ceco Erich Clar, un illustre esperto nel campo della chimica del nanografene, predisse una struttura simile a un papillon nota come "calice di Clar" (Figura 1). Consiste di due metà simmetriche ed è costruito in modo tale che un elettrone in ciascuna delle metà debba rimanere topologicamente frustrato. Però, poiché i due elettroni sono collegati tramite la struttura, sono accoppiati antiferromagneticamente, cioè i loro spin si orientano necessariamente in direzioni opposte.

Nel suo stato antiferromagnetico, Il calice di Clar potrebbe fungere da porta logica "NOT":se si inverte il senso di rotazione all'ingresso, anche la rotazione in uscita deve essere forzata a ruotare.

Però, è anche possibile portare la struttura in uno stato ferromagnetico, dove entrambi gli spin sono orientati nella stessa direzione. Per fare questo, la struttura deve essere eccitata con una certa energia, la cosiddetta energia di accoppiamento di scambio, in modo che uno degli elettroni inverta il suo spin.

Affinché il cancello rimanga stabile nel suo stato antiferromagnetico, però, non deve passare spontaneamente allo stato ferromagnetico. Perché ciò sia possibile, l'energia di accoppiamento di scambio deve essere maggiore dell'energia dissipata quando il cancello viene azionato a temperatura ambiente. Questo è un prerequisito fondamentale per garantire che un futuro circuito spintronico basato su nanografeni possa funzionare perfettamente a temperatura ambiente.

Dalla teoria alla realtà

Finora, però, nanostrutture di carbonio magnetiche stabili a temperatura ambiente sono stati solo costrutti teorici. Per la prima volta, i ricercatori sono ora riusciti a produrre in pratica una tale struttura, e ha mostrato che la teoria corrisponde alla realtà. "Realizzare la struttura è impegnativo, poiché il calice di Clar è altamente reattivo, e la sintesi è complessa, " spiega Mishra. Partendo da una molecola precursore, i ricercatori sono stati in grado di realizzare il calice di Clar in ultravuoto su una superficie d'oro, e dimostrare sperimentalmente che la molecola ha esattamente le proprietà previste.

È importante sottolineare che sono stati in grado di dimostrare che l'energia di accoppiamento di scambio nel calice di Clar è relativamente alta a 23 meV (Figura 2), implicando che le operazioni logiche basate sullo spin potrebbero quindi essere stabili a temperatura ambiente. "Questo è un piccolo ma importante passo verso la spintronica, "dice Roman Fasel.