Forti interazioni tra gli elettroni possono far emergere momenti magnetici locali in materiali organici bidimensionali (2D). Questa intuizione proviene da uno studio condotto da ricercatori della Monash University in Australia, che hanno creato un nanomateriale metallo-organico con le sue molecole disposte in una cosiddetta geometria kagome, una forma a stella costituita da triangoli equilateri che condividono gli angoli. Il materiale e le sue insolite proprietà magnetiche potrebbero trovare impiego nell'elettronica a stato solido di prossima generazione.
I materiali 2D con una struttura cristallina kagome contengono elettroni che si comportano in modi insoliti. Ad esempio, le funzioni d'onda degli elettroni possono interferire in modo distruttivo, determinando stati elettronici altamente localizzati in cui le particelle interagiscono fortemente tra loro. Queste forti correlazioni possono portare a una serie di fenomeni quantistici, incluso l'ordinamento magnetico degli spin di elettroni spaiati che possono produrre, ad esempio, fasi ferro o antiferromagnetiche, liquidi di spin quantistico e fasi topologiche anomale. Queste fasi sono tutte utili per le tecnologie avanzate di nanoelettronica e spintronica.
Mentre i fisici avevano precedentemente osservato forti correlazioni elettrone-elettrone nei cristalli inorganici di kagome, non lo avevano fatto nei sistemi organici. Tali sistemi sono interessanti per gli scienziati dei materiali perché possono essere sintetizzati utilizzando approcci versatili, sintonizzabili, scalabili ed economici, ad esempio tramite processi di autoassemblaggio e coordinamento metallo-ligando.
Il magnetismo deriva dalla geometria kagome
Nel nuovo lavoro, i ricercatori guidati da Agustin Schiffrin hanno studiato una struttura metallo-organica (MOF) 2D con una struttura che comprende molecole di dicianoantracene (DCA) collegate in una struttura kagome tramite atomi di rame. Il MOF 2D è stato posizionato su una superficie argentata. Utilizzando misurazioni di microscopia a scansione di sonda (SPM) atomicamente precise, i ricercatori hanno scoperto che il MOF ospita momenti magnetici confinati in posizioni specifiche. Hanno supportato questi risultati con calcoli teorici che mostrano che il magnetismo è un risultato naturale della geometria kagome della struttura.
Schiffrin spiega che la presenza di questi momenti magnetici locali si è rivelata sperimentalmente attraverso le osservazioni dell'effetto Kondo. Questo fenomeno a molti corpi si verifica quando i momenti magnetici vengono schermati da un "mare" di elettroni di conduzione, ad esempio da un metallo sottostante. L'effetto può essere rilevato da SPM, osserva il membro del team Dhaneesh Kumar , e la sua presenza implica che il materiale debba ospitare momenti magnetici.
I ricercatori sottolineano che il magnetismo è una conseguenza diretta di forti interazioni elettrone-elettrone che compaiono solo quando i componenti normalmente non magnetici del MOF 2D sono disposti in una geometria kagome. Queste interazioni ostacolano efficacemente l'accoppiamento degli elettroni e gli spin di questi elettroni spaiati producono quindi i momenti magnetici locali osservati.
Elettronica organica
Schiffrin e colleghi affermano che le loro scoperte potrebbero aiutare lo sviluppo dell'elettronica di prossima generazione basata su materiali organici. Questo perché le correlazioni quantistiche che il team ha scoperto possono essere sintonizzate per produrre una serie di fasi magnetiche, oltre a quelle elettroniche, tutte con proprietà diverse.
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I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Advanced Functional Materials , affermano che ora intendono rivolgere la loro attenzione alle applicazioni tecnologiche. “Lo faremo sintetizzando tali materiali organici e metallo-organici 2D su substrati diversi dai metalli (ad esempio, isolanti), incorporandoli in dispositivi e controllando le interazioni elettrone-elettrone e le transizioni di fase quantistiche utilizzando parametri esterni, come i campi elettrici applicati ”, dice Schiffrin a Physics World .
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