Il raggiungimento dell'ordine magnetico in sistemi a bassa dimensionalità costituiti solo da una o due dimensioni è da tempo un obiettivo della ricerca. In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , I ricercatori di Uppsala mostrano che l'ordine magnetico può essere creato in un reticolo a scacchiera bidimensionale costituito da molecole organometalliche che hanno uno spessore di un solo strato atomico.

L'ordine magnetico è un fenomeno comune nei materiali tridimensionali, come l'ordine ferromagnetico nei magneti a barra di ferro, dove i momenti magnetici su tutti gli atomi di ferro puntano nella stessa direzione. In una o due dimensioni, l'ordine magnetico a lungo raggio a temperature superiori a zero non è possibile, però, secondo il teorema di Mermin-Wagner. Una possibilità di ottenere una fase magnetica senza un tale ordine a lungo raggio è stata suggerita da Kosterlitz e Thouless (Premio Nobel 2016), che prevedeva che un vortice magnetico topologico in cui i momenti magnetici puntassero in direzioni diverse e si compensassero a vicenda potesse essere realizzabile in un film bidimensionale.

I ricercatori Ehesan Ali e Peter Oppeneer dell'Università di Uppsala hanno ora dimostrato in una collaborazione internazionale con ricercatori svizzeri e indiani che è possibile creare un ordine magnetico a lungo raggio in sistemi molecolari appositamente progettati costituiti da molecole di ftalocianina di ferro e manganese. Queste molecole, che hanno grandi somiglianze con le porfirine di ferro che si trovano nel sangue naturale, sono stati adsorbiti su una superficie di metallo dorato. Le molecole non reagiscono con gli atomi d'oro, ma invece si ordinano in uno schema a scacchiera bidimensionale composto da molecole a base di ferro e manganese alternate. In questo reticolo molecolare bidimensionale, i ricercatori potrebbero dimostrare l'ordine magnetico a basse temperature di pochi gradi Kelvin.

Attraverso simulazioni al computer su larga scala, i ricercatori di Uppsala sono riusciti a dimostrare una debole interazione tra momenti magnetici sulla molecola vicina, che sono stati trasmessi attraverso gli elettroni d'oro, la cosiddetta interazione Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY). Sebbene le molecole di ftalocianina metallica non reagiscano chimicamente con il metallo nobile oro, gli elettroni dell'oro percepiscono i momenti magnetici di spin sulla molecola e trasmettono questa informazione alla molecola vicina.

I ricercatori hanno anche rilevato che un'altra fondamentale interazione fisica, la proiezione di Kondo, contrastato l'ordine magnetico. Ciò è avvenuto perché gli elettroni d'oro hanno cambiato i loro momenti magnetici di spin per neutralizzare il momento della molecola, qualcosa in cui non sono riusciti del tutto, e quindi si formò un ordine magnetico a lungo raggio.

"Era sorprendente che i nostri calcoli accurati potessero stabilire come si forma l'ordine magnetico nello strato molecolare, "dice Peter Oppeneer, Professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Uppsala. "La nostra scoperta può aprire la strada allo studio di stati magnetici quantistici finora sconosciuti, e contribuisce alla realizzazione della spintronica quantistica molecolare."