Grafene, una struttura a nido d'ape bidimensionale composta da atomi di carbonio con uno spessore di un solo atomo, ha numerose proprietà eccezionali. Questi includono un'enorme resistenza meccanica e straordinarie proprietà elettroniche e ottiche. L'anno scorso un team guidato dal ricercatore dell'Empa Roman Fasel è riuscito a dimostrare che può essere anche magnetico:sono riusciti a sintetizzare una molecola a forma di papillon, che ha speciali proprietà magnetiche.

Ora, i ricercatori segnalano un'altra svolta. Il lavoro teorico del 2007 prevedeva che il grafene avrebbe potuto esibire un comportamento magnetico se fosse stato tagliato in piccoli triangoli. Negli ultimi tre anni, diverse squadre, compreso il team Empa, sono riusciti a produrre i cosiddetti triangulenes, costituito da poche decine di atomi di carbonio, per sintesi chimica sotto vuoto ultra spinto.

Sulle tracce del magnetismo con il microscopio a effetto tunnel

Però, il loro magnetismo era rimasto sconosciuto fino ad ora. Primo, la presenza di spin spaiati, che rendono magnetici i triangoli in primo luogo, li rendono anche estremamente reattivi. In secondo luogo, anche con molecole stabili, è estremamente difficile provare il magnetismo di un pezzo di materia così piccolo. Ma ora un gruppo internazionale di scienziati dell'Empa, l'Università Tecnica di Dresda, l'Università di Alicante e il Laboratorio internazionale di nanotecnologie iberiche in Portogallo sono riusciti a fare proprio questo.

La svolta è stata resa possibile da un potente strumento per studiare la materia a livello atomico:il microscopio a effetto tunnel (STM). L'STM consente di condurre correnti elettriche attraverso singoli atomi o nanostrutture depositate su un substrato conduttivo. Finora, però, i singoli triangulene avevano fornito solo prove indirette della loro natura magnetica.

Doppio triangolo con entanglement quantistico

Ora, però, i ricercatori hanno esaminato molecole in cui due triangulene sono uniti da un unico legame carbonio-carbonio (i cosiddetti dimeri di triangulene). Queste strutture hanno fornito prove dirette della natura magnetica dei triangulene. Questo perché la teoria dice quanto segue:se due triangulene sono uniti, non solo il loro magnetismo è preservato; i loro momenti magnetici dovrebbero anche formare uno stato "entangled quantistico". Ciò significa che gli spin, i minuscoli momenti magnetici, dei loro elettroni spaiati dovrebbero puntare in direzioni opposte. Questo stato è noto come stato antiferromagnetico (o spin-0).

Inoltre, la teoria prevedeva anche che sarebbe stato possibile eccitare i dimeri triangulene ad uno stato in cui i loro spin non sono più perfettamente allineati (stato spin-1). L'energia necessaria per provocare questa eccitazione, la cosiddetta energia di scambio, riflette la forza con cui gli spin dei due triangulene nei dimeri sono legati nello stato antiferromagnetico. E infatti nei loro esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che il dimero triangulene può essere eccitato allo stato di spin 1 iniettando elettroni con un'energia di 14 meV.

Materiali magnetici organici per spintronica

Gli scienziati hanno anche sintetizzato un secondo dimero triangulene in cui le unità triangulene non erano direttamente collegate da un singolo legame carbonio-carbonio, ma da un "distanziatore", un anello di carbonio esagonale. I ricercatori si aspettavano che questo elemento di collegamento più grande tra le unità triangolari riducesse significativamente l'energia di scambio. E questo è esattamente ciò che gli esperimenti hanno mostrato:l'energia di scambio era ora solo 2 meV, l'85% in meno rispetto ai triangulene collegati direttamente.

Questi risultati sono rilevanti non solo perché forniscono prove dirette del tanto atteso magnetismo nei triangulene, ma anche perché mostrano come questi straordinari nanosistemi possono essere combinati per formare strutture più grandi con stati magnetici entangled quantistici. Nel futuro, tali nuovi (e puramente organici) materiali magnetici potrebbero non essere utilizzati solo in tecnologie come l'elaborazione delle informazioni basata su spin, che promettono computer più veloci con un consumo energetico inferiore, o nelle tecnologie quantistiche; but they could also provide fertile ground for the study of exotic physical phenomena.