Magnetisme gegenereerd in 2D organisch materiaal door sterachtige rangschikking van moleculen

Een 2D-nanomateriaal bestaande uit organische moleculen gekoppeld aan metaalatomen in een specifieke geometrie op atomaire schaal vertoont niet-triviale elektronische en magnetische eigenschappen als gevolg van sterke interacties tussen zijn elektronen.

Een nieuwe studie, die vandaag is gepubliceerd, toont de opkomst van magnetisme in een 2D organisch materiaal als gevolg van sterke elektron-elektron-interacties; deze interacties zijn het directe gevolg van de unieke, sterachtige structuur op atomaire schaal van het materiaal.

Dit is de eerste waarneming van lokale magnetische momenten die voortkomen uit interacties tussen elektronen in een atomair dun 2D organisch materiaal.

De bevindingen hebben potentieel voor toepassingen in elektronica van de volgende generatie op basis van organische nanomaterialen, waar afstemming van interacties tussen elektronen kan leiden tot een breed scala aan elektronische en magnetische fasen en eigenschappen.

Sterke elektron-elektron-interacties in een 2D organisch kagome-materiaal

De studie van de Monash University onderzocht een 2D metaal-organisch nanomateriaal dat is samengesteld uit organische moleculen die zijn gerangschikt in een kagome-geometrie, dat wil zeggen een “sterachtig” patroon volgen.

Het 2D metaal-organische nanomateriaal bestaat uit dicyaanantraceen (DCA) moleculen gecoördineerd met koperatomen op een zwak interactief metalen oppervlak (zilver).

Door middel van zorgvuldige en atomair nauwkeurige scanning probe microscopie (SPM) metingen, ontdekten de onderzoekers dat de 2D metaal-organische structuur – waarvan de moleculaire en atomaire bouwstenen op zichzelf niet-magnetisch zijn – magnetische momenten herbergt die op specifieke locaties zijn beperkt.

Theoretische berekeningen toonden aan dat dit opkomende magnetisme te wijten is aan de sterke elektron-elektron Coulomb-afstoting die wordt gegeven door de specifieke 2D-kagome-geometrie.

“We denken dat dit belangrijk kan zijn voor de ontwikkeling van toekomstige elektronica- en spintronicatechnologieën op basis van organische materialen, waarbij afstemming van interacties tussen elektronen kan leiden tot controle over een breed scala aan elektronische en magnetische eigenschappen”, zegt FLEET CI A/Prof Agustin Schiffrin.

Directe detectie van magnetisme via het Kondo-effect

De elektronen van 2D-materialen met een kagome-kristalstructuur kunnen onderhevig zijn aan sterke Coulomb-interacties als gevolg van destructieve golffunctie-interferentie en kwantumlokalisatie, wat leidt tot een breed scala aan topologische en sterk gecorreleerde elektronische fasen.

Dergelijke sterke elektronische correlaties kunnen zich manifesteren via de opkomst van magnetisme en zijn tot nu toe niet waargenomen in atomair dunne 2D organische materialen. Dit laatste kan gunstig zijn voor solid-state technologieën vanwege hun afstembaarheid en zelfassemblagevermogen.

In deze studie werd magnetisme als gevolg van sterke elektron-elektron Coulomb-interacties in een 2D-kagome organisch materiaal onthuld via de waarneming van het Kondo-effect.

“Het Kondo-effect is een veellichamenfenomeen dat optreedt wanneer magnetische momenten worden afgeschermd door een zee van geleidingselektronen, bijvoorbeeld van een onderliggend metaal”, zegt hoofdauteur en FLEET-lid Dr. Dhaneesh Kumar. “En dit effect kan worden gedetecteerd door SPM-technieken.”

“We hebben het Kondo-effect waargenomen en daaruit geconcludeerd dat het 2D-organische materiaal magnetische momenten moet bevatten. De vraag werd toen ‘waar komt dit magnetisme vandaan?'”

Theoretische modellering door Bernard Field en collega’s toonde ondubbelzinnig aan dat dit magnetisme het directe gevolg is van sterke Coulomb-interacties tussen elektronen. Deze interacties verschijnen alleen wanneer we de normaal niet-magnetische delen in een 2D kagome metaal-organisch raamwerk brengen. Deze interacties belemmeren elektronenparen, waarbij spins van ongepaarde elektronen aanleiding geven tot lokale magnetische momenten.

“Theoretische modellering in deze studie biedt een uniek inzicht in de rijkdom van het samenspel tussen kwantumcorrelaties en de topologische en magnetische fasen. De studie geeft ons een paar hints over hoe deze niet-triviale fasen kunnen worden gecontroleerd in 2D-kagome-materialen voor potentiële toepassingen in baanbrekende elektronicatechnologieën”, zegt FLEET CI A/Prof Nikhil Medhekar.