Графен состоит только из атомов углерода, но магнетизм – это свойство, вряд ли связанное с углеродом. Итак, как углеродные наноматериалы могут проявлять магнетизм?? Чтобы понять это, нам нужно совершить путешествие в мир химии и атомной физики.
Атомы углерода в графене расположены в сотовой структуре.
Каждый атом углерода имеет трех соседей, с которыми он образует чередующиеся одинарные или двойные связи. В одинарной связи один электрон от каждого атома – так называемый валентный электрон – связывается со своим соседом; в то время как в двойной связи участвуют два электрона от каждого атома. Это чередующееся представление органических соединений с одинарной и двойной связью известно как структура Кекуле, названная в честь немецкого химика Августа Кекуле, который первым предложил такое представление для одного из простейших органических соединений, бензола . Правило здесь состоит в том, что электронные пары, населяющие одну и ту же орбиталь, должны различаться по направлению вращения – так называемому спину – следствие квантово-механического принципа исключения Паули.
"Однако в некоторых структурах, сделанных из шестиугольников, нельзя нарисовать чередующиеся узоры одинарных и двойных связей, которые удовлетворяют требованиям связи каждого атома углерода. Как следствие, в таких структурах один или несколько электронов вынуждены оставаться неспаренными и не могут образовывать связь », – объясняет Шантану Мишра, который исследует новые нанографены в лаборатории поверхностей Empa nanotech, возглавляемой Романом Фазелем. Это явление непроизвольного разрыва электронов называется «топологическим расстройством»."
Но при чем тут магнетизм?
Ответ кроется в «спинах» электронов. Вращение электрона вокруг собственной оси вызывает крошечное магнитное поле, магнитный момент. Если, как обычно, на орбитали атома находятся два электрона с противоположными спинами, эти магнитные поля нейтрализуют друг друга. Однако, если электрон находится один на своей орбитали, магнитный момент остается – и в результате получается измеримое магнитное поле.
Одно это завораживает. Но чтобы иметь возможность использовать спин электронов в качестве элементов схемы, необходим еще один шаг.
Одним из ответов может быть структура, которая выглядит как галстук-бабочка под сканирующим туннельным микроскопом.
Два фрустрированных электрона в одной молекуле
Еще в 1970-х годах чешский химик Эрих Клар, выдающийся специалист в области химии нанографенов, предсказал структуру, похожую на галстук-бабочку, известную как «кубок Клара»."Он состоит из двух симметричных половин и устроен таким образом, что один электрон в каждой из половин должен оставаться топологически фрустрированным. Однако, поскольку два электрона связаны через структуру, они связаны антиферромагнитно, то есть их спины обязательно ориентированы в противоположных направлениях.
В своем антиферромагнитном состоянии кубок Клара мог бы действовать как логический вентиль «НЕ»: если направление вращения на входе меняется на противоположное, то вращение на выходе также должно быть принудительно повернуто.
Однако также можно привести структуру в ферромагнитное состояние, когда оба спина ориентированы в одном направлении. Для этого структура должна быть возбуждена определенной энергией, так называемой энергией обменной связи, чтобы один из электронов менял свой спин на противоположный.
Однако для того, чтобы затвор оставался стабильным в своем антиферромагнитном состоянии, он не должен самопроизвольно переключаться в ферромагнитное состояние.
Чтобы это было возможно, энергия обменной связи должна быть выше, чем рассеиваемая энергия, когда затвор работает при комнатной температуре. Это центральное условие для обеспечения безупречной работы будущей спинтронной схемы на основе нанографенов при комнатной температуре.
От теории к реальности
Однако до сих пор стабильные при комнатной температуре магнитные углеродные наноструктуры были только теоретическими конструкциями.
Впервые исследователям удалось создать такую структуру на практике и показать, что теория действительно соответствует действительности. «Осознать структуру сложно, поскольку кубок Клара очень реактивен, а синтез сложен», – объясняет Мишра. Начиная с молекулы-предшественника, исследователи смогли реализовать кубок Клара в сверхвысоком вакууме на поверхности золота и экспериментально продемонстрировать, что молекула имеет точно предсказанные свойства.
Важно отметить, что они смогли показать, что энергия обменного взаимодействия в кубке Клара относительно высока и составляет 23 мэВ, что означает, что операции спиновой логики могут быть стабильными при комнатной температуре. «Это небольшой, но важный шаг к спинтронике», – говорит Роман Фазель.