Het bereiken van magnetische orde in laagdimensionale systemen die uit slechts één of twee dimensies bestaan, is al geruime tijd een onderzoeksdoel. In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , Uppsala-onderzoekers laten zien dat magnetische orde kan worden gecreëerd in een tweedimensionaal schaakbordrooster dat bestaat uit organometaalmoleculen die slechts één atoomlaag dik zijn.

Magnetische orde is een veelvoorkomend fenomeen in driedimensionale materialen, zoals ferromagnetische orde in ijzeren staafmagneten, waarbij de magnetische momenten op alle ijzeratomen in dezelfde richting wijzen. In één of twee dimensies, lange afstand magnetische orde bij temperaturen hoger dan nul is niet mogelijk, echter, volgens de stelling van Mermin-Wagner. Kosterlitz en Thouless stelden een mogelijkheid voor om een ​​magnetische fase te bereiken zonder zo'n langeafstandsvolgorde (Nobelprijs 2016), die voorspelde dat een topologische magnetische vortex waarin de magnetische momenten in verschillende richtingen wijzen en elkaar compenseren, realiseerbaar zou kunnen zijn in een tweedimensionale film.

Onderzoekers Ehesan Ali en Peter Oppeneer van de Universiteit van Uppsala hebben nu in een internationale samenwerking met onderzoekers uit Zwitserland en India aangetoond dat magnetische ordening op lange afstand kan worden gecreëerd in speciaal ontworpen moleculaire systemen bestaande uit ijzer- en mangaanftalocyaninemoleculen. Deze moleculen, die grote overeenkomsten vertonen met de ijzerporfyrines die in natuurlijk bloed worden aangetroffen, werden geadsorbeerd op een gouden metalen oppervlak. De moleculen reageren niet met goudatomen, maar ordenen zich in plaats daarvan in een tweedimensionaal schaakbordpatroon dat bestaat uit afwisselend op ijzer en mangaan gebaseerde moleculen. In dit tweedimensionale molecuulrooster, de onderzoekers konden magnetische ordening aantonen bij lage temperaturen van slechts enkele graden Kelvin.

Door grootschalige computersimulaties, de onderzoekers van Uppsala konden een zwakke interactie aantonen tussen magnetische momenten op het naburige molecuul, die door de gouden elektronen werden verzonden, de zogenaamde Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interactie. Hoewel de metaalftalocyaninemoleculen niet chemisch reageren met het edelmetaal goud, de elektronen van het goud voelen de magnetische spinmomenten op het molecuul en geven deze informatie door aan het naburige molecuul.

De onderzoekers ontdekten ook dat een andere fundamentele fysieke interactie, de Kondo-vertoning, ging de magnetische orde tegen. Dit gebeurde omdat de gouden elektronen hun magnetische spinmomenten veranderden om het moment van het molecuul te neutraliseren. iets waar ze niet helemaal in slaagden, en daarom werd de magnetische orde op lange afstand gevormd.

"Het was verbazingwekkend dat onze zorgvuldige berekeningen konden vaststellen hoe magnetische orde wordt gevormd in de moleculaire laag, " zegt Peter Oppeneer, Professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Uppsala. "Onze ontdekking kan de weg vrijmaken voor het bestuderen van tot nu toe onbekende kwantummagnetische toestanden, en draagt ​​bij aan de realisatie van moleculaire kwantumspintronica."