grafeen, een tweedimensionale honingraatstructuur gemaakt van koolstofatomen met een dikte van slechts één atoom, heeft tal van uitstekende eigenschappen. Deze omvatten een enorme mechanische weerstand en buitengewone elektronische en optische eigenschappen. Vorig jaar kon een team onder leiding van Empa-onderzoeker Roman Fasel aantonen dat het zelfs magnetisch kan zijn:ze slaagden erin een molecuul te synthetiseren in de vorm van een vlinderdas, die speciale magnetische eigenschappen heeft.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers melden nog een doorbraak. Theoretisch werk uit 2007 voorspelde dat grafeen magnetisch gedrag zou kunnen vertonen als het in kleine driehoekjes zou worden gesneden. In de afgelopen drie jaar, meerdere teams, inclusief het Empa-team, zijn erin geslaagd de zogenaamde triangulenen te produceren, bestaande uit slechts enkele tientallen koolstofatomen, door chemische synthese onder ultrahoog vacuüm.

Op het spoor van magnetisme met de scanning tunneling microscoop

Echter, hun magnetisme was tot nu toe onontdekt gebleven. Eerst, de aanwezigheid van ongepaarde spins, die driehoeken in de eerste plaats magnetisch maken, maken ze ook extreem reactief. Ten tweede, zelfs met stabiele moleculen, het is buitengewoon moeilijk om het magnetisme van zo'n klein stukje materie te bewijzen. Maar nu een internationale groep wetenschappers van Empa, de Technische Universiteit van Dresden, de Universiteit van Alicante en het International Iberian Nanotechnology Laboratory in Portugal zijn daarin geslaagd.

De doorbraak werd mogelijk gemaakt door een krachtig hulpmiddel voor het onderzoeken van materie op atomair niveau:de scanning tunneling microscope (STM). De STM maakt het mogelijk om elektrische stromen te geleiden door individuele atomen of nanostructuren die zijn afgezet op een geleidend substraat. Tot dusver, echter, individuele driehoeken hadden slechts indirect bewijs geleverd van hun magnetische aard.

Dubbele driehoek met kwantumverstrengeling

Nutsvoorzieningen, echter, de onderzoekers hebben moleculen onderzocht waarin twee triangulenen zijn verbonden door een enkele koolstof-koolstofbinding (zogenaamde trianguleendimeren). Deze structuren leverden direct bewijs van de magnetische aard van driehoeken. Dit komt omdat de theorie het volgende zegt:als twee driehoeken worden samengevoegd, niet alleen is hun magnetisme behouden; hun magnetische momenten zouden ook een "kwantumverstrengelde" toestand moeten vormen. Dit betekent dat de spins - de kleine magnetische momenten - van hun ongepaarde elektronen in tegengestelde richtingen zouden moeten wijzen. Deze toestand staat bekend als de antiferromagnetische (of spin-0) toestand.

In aanvulling, de theorie voorspelde ook dat het mogelijk zou moeten zijn om de trianguleendimeren te exciteren tot een toestand waarin hun spins niet langer perfect zijn uitgelijnd (spin-1-toestand). De energie die nodig is om deze excitatie te veroorzaken, de zogenaamde uitwisselingsenergie, weerspiegelt de sterkte waarmee de spins van de twee driehoeken in de dimeren zijn gebonden in de antiferromagnetische toestand. En inderdaad in hun experimenten, de onderzoekers ontdekten dat het trianguleendimeer kan worden geëxciteerd tot de spin 1-toestand door elektronen te injecteren met een energie van 14 meV.

Organische magnetische materialen voor spintronica

De wetenschappers synthetiseerden ook een tweede trianguleendimeer waarin de trianguleeneenheden niet direct verbonden waren door een enkele koolstof-koolstofbinding, maar door een "spacer", een zeshoekige koolstofring. De onderzoekers verwachtten dat dit grotere verbindingselement tussen de driehoekige eenheden de uitwisselingsenergie aanzienlijk zou verminderen. En dit is precies wat de experimenten lieten zien:de uitwisselingsenergie was nu slechts 2 meV - 85% minder dan bij de direct verbonden driehoeken.

Deze resultaten zijn niet alleen relevant omdat ze direct bewijs leveren voor het langverwachte magnetisme in driehoeken, maar ook omdat ze laten zien hoe deze opmerkelijke nanosystemen kunnen worden gecombineerd om grotere structuren te vormen met kwantumverstrengelde magnetische toestanden. In de toekomst, dergelijke nieuwe (en puur organische) magnetische materialen zouden niet alleen kunnen worden gebruikt in technologieën zoals spin-gebaseerde informatieverwerking, die snellere computers beloven met een lager stroomverbruik, of in kwantumtechnologieën; but they could also provide fertile ground for the study of exotic physical phenomena.