如何在石墨烯中感应磁性

 
3-D渲染的克拉尔酒杯高分辨率扫描隧道显微照片。信用：Empa石墨烯是一种由碳制成的二维结构，是一种具有出色的机械，电子和光学性能的材料。但是，它似乎不适用于磁性应用。 Empa的研究人员与国际伙伴合作，现已成功合成了1970年代预测的独特纳米石墨烯，这最终证明了非常特殊形式的碳具有磁性能，可以允许将来的自旋电子学应用。研究结果刚刚发表在著名的《自然纳米技术》杂志上。
取决于其边缘的形状和方向，石墨烯纳米结构(也称为纳米石墨烯)可以具有非常不同的特性-例如，它们可能表现出导电，半导体或绝缘行为。但是，到目前为止，其中一项属性难以捉摸：磁性。 Empa研究人员与德累斯顿工业大学，芬兰阿尔托大学，美因茨马克斯·普朗克聚合物研究所和伯尔尼大学的同事一起，成功地构建了具有磁性的纳米石墨烯，该磁性石墨烯可能是自旋基的决定性成分。电子设备在室温下工作。
石墨烯仅由碳原子组成，但是磁性是几乎不与碳相关的性质。那么碳纳米材料如何表现出磁性呢?要了解这一点，我们需要深入了解化学和原子物理学领域。
石墨烯中的碳原子排列成蜂窝结构。每个碳原子都有三个相邻的碳原子，与它们形成交替的单键或双键。在一个单键中，每个原子的一个电子(即所谓的价电子)与其相邻原子结合;而在双键中，每个原子有两个电子参与。这种有机化合物的单键和双键交替表示被称为Kekulé结构，以德国化学家AugustugKekulé的名字命名，他首先提出了最简单的有机化合物之一苯的表示法(图1)。这里的规则是，居住在同一轨道上的电子对的旋转方向(即所谓的自旋)必须不同，这是量子力学鲍里氏排斥原理的结果。
“但是，在某些由六边形制成的结构中，永远不能绘制出满足每个碳原子键合要求的交替的单键和双键图案。结果，在这样的结构中，一个或多个电子被迫保持不成对并且不能形成”，尚塔努·米什拉(Shantanu Mishra)解释说，他正在由罗曼·法瑟(Roman Fasel)领导的Empa nanotech @ surfaces实验室研究新型纳米石墨烯。电子的非自愿不配对现象称为“拓扑挫折”(图1)。
左：Clar的高脚杯插图，是石墨烯的一部分。右：图示了苯的Kekulé结构(上图)，并且不可能为Clar的高脚杯绘制Kekulé结构而不留下未成对的电子(下图)。信用：Empa但这与磁力有什么关系?答案在于电子的“自旋”。电子绕其自身的轴旋转会产生微小的磁场，即磁矩。如果像往常一样在原子的轨道上有两个自旋相反的电子，则这些磁场会相互抵消。但是，如果电子在其轨道上单独存在，则磁矩仍然存在，并且会产生可测量的磁场。
仅此一项就令人着迷。但是，为了能够将电子的自旋用作电路元件，还需要一步。一个答案可能是在扫描隧道显微镜下看起来像领结的结构。
一个分子中有两个受挫的电子
早在1970年代，捷克化学家埃里希·克拉尔(Erich Clar)是纳米石墨烯化学领域的杰出专家，他预测了类似领结的结构，称为“克拉尔杯”(图1)。它由两个对称的半部分组成，并且构造成使得每个半部分中的一个电子都必须保持拓扑受阻。但是，由于这两个电子是通过结构连接的，因此它们是反铁磁耦合的，也就是说，它们的自旋必须沿相反的方向取向。
在其反铁磁状态下，Clar的酒杯可以充当“ NOT”逻辑门：如果输入端的自旋方向相反，则还必须强制输出自旋旋转。
左：克拉尔杯的实验高分辨率扫描隧道显微照片。右：克拉克高脚杯的球棒模型(碳原子：灰色，氢原子：白色)，在反铁磁基态下具有重叠的自旋密度分布(蓝色：向上旋转，红色：向下旋转)。信用：Empa但是，也有可能使结构处于铁磁状态，即两个自旋都沿相同方向定向。为此，必须用一定的能量(即所谓的交换耦合能)激发该结构，以使其中一个电子反转其自旋。
但是，为了使栅极在其反铁磁状态下保持稳定，它不得自发切换到铁磁状态。为此，交换耦合能量必须高于门在室温下运行时的能量耗散。这是确保未来基于纳米石墨烯的自旋电子电路在室温下能够正常运行的主要前提。
从理论到现实
然而，到目前为止，室温稳定的磁性碳纳米结构仅是理论构造。现在，研究人员已经首次在实践中成功产生了这种结构，并表明该理论确实符合现实。 Mishra解释说：“由于Clar的酒杯具有很高的反应性，而且合成过程很复杂，因此实现结构是有要求的。”从前体分子开始，研究人员能够在超高真空下在金表面上实现Clar酒杯，并通过实验证明该分子具有准确的预测特性。
重要的是，他们能够证明Clar高脚杯中的交换耦合能量较高，为23 meV，这意味着基于自旋的逻辑运算因此在室温下可以保持稳定。罗曼·法瑟尔(Roman Fasel)表示：“这是自旋电子学迈出的一小步，但很重要。