Descifrando o magnetismo do grafeno
Investigadores da USC baixo a coordinación de Diego Peña, do Donostia International Physics Center e do CIC nanoGUNE avanzan no descifrado do magnetismo dunha pequena peza triangular de grafeno, ampliando así o coñecemento deste versátil material e as súas potenciais aplicacións en distintos eidos da vida cotiá. Trátase da primeira evidencia experimental realizada cun microscopio de efecto túnel, o cal permite captar imaxes de superficies a nivel atómico, do magnetismo innato nunha pequena estrutura triangular de grafeno.
O grafeno é un material diamagnético, é dicir, non lle gusta o magnetismo e móstrase remiso a magnetizarse. A pesar disto, existen cálculos teóricos que predín que unha estrutura triangular deste material podería chegar a ser magnética. Esta aparente contradición é consecuencia de que para certas formas “máxicas” do grafeno, os electróns parecen “virar” máis facilmente nunha dirección determinada, forma coloquial para dicir que teñen un mesmo espín, e con iso vólveno magnético. Un trianguleno é unha estrutura triangular de grafeno onde as predicións afirman que se pode conseguir un estado magnético puro. Noutras palabras, é como un imán de dimensións nanométricas. "Dotar ao grafeno de magnetismo abre perspectivas fascinantes na súa aplicación en tecnoloxías cuánticas, por exemplo", explican os investigadores.
Con todo, a pesar da rotundidade das predicións sobre o magnetismo do trianguleno, ata a data non había probas experimentais claras do mesmo. "Por unha banda, a produción de trianguleno por métodos de síntese orgánica en solución é moi difícil, porque o carácter bi-radical desta molécula fai que sexa moi reactiva. Ademais, parece que o seu magnetismo é extremadamente esquivo nos poucos casos nos que se estudou con éxito", continúa o equipo investigador.
Agora, este novo estudo vasco-galego, publicado na revista científica Physical Review Letters, retomou este reto utilizando un microscopio de efecto túnel (STM, polas súas siglas en inglés). Despois de fabricar con precisión atómica unha peza de grafeno triangular dun par de nanómetros de tamaño sobre unha superficie de ouro limpa, medidas de espectroscopía de efecto túnel revelaron que este composto posúe un estado magnético neto caracterizado por un espín S=1 e que, por tanto, esta molécula é un pequeno “paraimán” de carbono puro. Estes resultados constitúen a primeira manifestación experimental dunha estrutura de grafeno de espín alto.
Un paso máis
Estes descubrimentos foron complementados cun experimento de manipulación atómica de produtos residuais de trianguleno. Algunhas estruturas formábanse con máis átomos de hidróxeno dos debidos, os cales pasivaban o seu magnetismo. Mediante a extracción controlada destes átomos de hidróxeno un a un co STM, os investigadores observaron como o magnetismo de trianguleno íase recuperando paso a paso.
A proba experimental do magnetismo do trianguleno pasaba por unha dificultade adicional. Ao contrario que un imán macroscópico, un “paraimán” non ten polos ben definidos debido ao seu pequeno tamaño. Por iso, a detección do seu estado magnético non podía realizarse con técnicas máis convencionais de espectroscopía, onde a orientación do magnetismo do imán puidese facilitar a súa detección. Neste traballo, a proba experimental do seu estado magnético foi obtida mediante a detección do efecto Kondo multicanle –unha versión “exótica” do efecto Kondo tradicional descrito nos anos 60– e que pode xurdir en sistemas magnéticos complexos. A súa observación nunha estrutura triangular de grafeno, de apenas 40 átomos de carbono, "é un fito que pode abrir todo un horizonte na nosa comprensión da orixe deste magnetismo, e da súa posible integración en estruturas magnéticas mais complexas", explican os investigadores.
Este traballo desenvolveuse no marco do proxecto europeo SPRING FET Open, Spin Research in Graphene (Investigación do espín en grafeno). O obxectivo do proxecto a longo prazo é o desenvolvemento dunha plataforma feita totalmente de grafeno, respectuosa co medio ambiente, na cal os espines podan usarse para transportar, almacenar e procesar a información.
