La struttura molecolare "kagome" a forma di stella del materiale metallo-organico 2D si traduce in forti interazioni elettroniche e proprietà magnetiche non banali (a sinistra:immagine STM, a destra:AFM senza contatto). Credito:FLEET
Un nanomateriale 2D costituito da molecole organiche legate ad atomi di metallo in una specifica geometria su scala atomica mostra proprietà elettroniche e magnetiche non banali dovute a forti interazioni tra i suoi elettroni.
Un nuovo studio, pubblicato oggi, mostra l'emergere del magnetismo in un materiale organico 2D a causa di forti interazioni elettrone-elettrone; queste interazioni sono la diretta conseguenza dell'unicità del materiale, struttura a scala atomica a forma di stella.
Questa è la prima osservazione di momenti magnetici locali che emergono dalle interazioni tra gli elettroni in un materiale organico 2D atomicamente sottile.
I risultati hanno un potenziale per applicazioni nell'elettronica di prossima generazione basata su nanomateriali organici, dove la sintonizzazione delle interazioni tra gli elettroni può portare a una vasta gamma di fasi e proprietà elettroniche e magnetiche.
Forti interazioni elettrone-elettrone in un materiale kagome organico 2D
Lo studio della Monash University ha studiato un nanomateriale metallo-organico 2D composto da molecole organiche disposte in una geometria kagome, questo è, seguendo uno schema "a stella".
Il nanomateriale metallo-organico 2D è costituito da molecole di dicianoantracene (DCA) coordinate con atomi di rame su una superficie metallica a interazione debole (argento).
Mediante misurazioni accurate e atomicamente precise di microscopia a scansione di sonda (SPM), i ricercatori hanno scoperto che la struttura metallo-organica 2D, i cui elementi costitutivi molecolari e atomici sono di per sé non magnetici, ospita momenti magnetici confinati in posizioni specifiche.
I calcoli teorici hanno mostrato che questo magnetismo emergente è dovuto alla forte repulsione coulombiana elettrone-elettrone data dalla specifica geometria 2D del kagome.
"Pensiamo che questo possa essere importante per lo sviluppo delle future tecnologie elettroniche e spintronice basate su materiali organici, dove la sintonizzazione delle interazioni tra gli elettroni può portare al controllo su un'ampia gamma di proprietà elettroniche e magnetiche, " dice FLEET CI A/Prof Agustin Schiffrin.
Conferma dell'effetto Kondo, tramite misure di spettroscopia a effetto tunnel a scansione di densità di stati elettronici, conferma la presenza di magnetismo locale nella struttura metallo-organica 2D. Credito:FLEET
Sondaggio diretto del magnetismo tramite l'effetto Kondo
Gli elettroni dei materiali 2D con una struttura cristallina kagome possono essere soggetti a forti interazioni coulombiane a causa dell'interferenza distruttiva della funzione d'onda e della localizzazione quantistica, portando ad una vasta gamma di fasi elettroniche topologiche e fortemente correlate.
Tali forti correlazioni elettroniche possono manifestarsi attraverso l'emergere del magnetismo, e, fino ad ora, non sono stati osservati in materiali organici 2D atomicamente sottili. Quest'ultimo può essere vantaggioso per le tecnologie a stato solido grazie alla loro sintonizzabilità e capacità di autoassemblaggio.
In questo studio, il magnetismo risultante da forti interazioni coulombiane elettrone-elettrone in un materiale organico kagome 2D è stato rivelato tramite l'osservazione dell'effetto Kondo.
"L'effetto Kondo è un fenomeno a molti corpi che si verifica quando i momenti magnetici vengono schermati da un mare di elettroni di conduzione. Ad esempio, da un metallo sottostante, " dice l'autore principale e membro della FLEET Dr. Dhaneesh Kumar. "E questo effetto può essere rilevato dalle tecniche SPM".
"Abbiamo osservato l'effetto Kondo, e da lì ha concluso che il materiale organico 2D deve ospitare momenti magnetici. La domanda poi è diventata 'da dove viene questo magnetismo?'"
I modelli teorici di Bernard Field e colleghi hanno mostrato senza ambiguità che questo magnetismo è la diretta conseguenza di forti interazioni coulombiane tra gli elettroni. Queste interazioni compaiono solo quando portiamo le parti normalmente non magnetiche in una struttura metallo-organica kagome 2D. Queste interazioni ostacolano l'appaiamento di elettroni, con spin di elettroni spaiati che danno luogo a momenti magnetici locali.
"La modellizzazione teorica in questo studio offre una visione unica della ricchezza dell'interazione tra correlazioni quantistiche, e le fasi topologiche e magnetiche. Lo studio ci fornisce alcuni suggerimenti su come queste fasi non banali possono essere controllate in materiali kagome 2D per potenziali applicazioni in tecnologie elettroniche innovative, " dice FLEET CI A/Prof Nikhil Medhekar.
