Tecnologia Científica

Nano-tria¢ngulos unidos abrem caminho para materiais de carbono magnanãtico
Quando dois desses nano-tria¢ngulos são unidos, ocorre um
Por Empa - 02/06/2020

Tria¢ngulos de grafeno com um comprimento de borda de apenas alguns a¡tomos se comportam como a­ma£s qua¢nticos peculiares. Quando dois desses nano-tria¢ngulos são unidos, ocorre um "emaranhamento qua¢ntico" de seus momentos magnanãticos: a estrutura se torna antiferromagnanãtica. Isso pode ser um avanço para futuros materiais magnanãticos e mais um passo em direção a  spintra´nica.

Um grupo internacional liderado por pesquisadores da Empa publicou recentemente os resultados na revista Angewandte Chemie ( "Magnetismo coletivo por todo carbono em dimers triangulenos" ).

O grafeno - uma estrutura de favo de mel bidimensional feita de a¡tomos de carbono com uma espessura de apenas um a¡tomo - possui inaºmeras propriedades pendentes. Isso inclui enorme resistência meca¢nica e extraordina¡rias propriedades eletra´nicas e a³pticas. No ano passado, uma equipe liderada pelo pesquisador da Empa, Roman Fasel, conseguiu demonstrar que ela pode atéser magnanãtica: eles conseguiram sintetizar uma molanãcula na forma de uma gravata borboleta, que possui propriedades magnanãticas especiais.

Agora, outro avanço foi feito nessa direção. O trabalho tea³rico de 2007 previu que o grafeno poderia exibir comportamento magnético se fosse cortado em pequenos tria¢ngulos. Nos últimos três anos, várias equipes, incluindo a equipe da Empa, conseguiram produzir os chamados triangulenos, constitua­dos por apenas algumas dezenas de a¡tomos de carbono, por sa­ntese química sob va¡cuo ultra alto.

Dois nanotriangles de grafeno unidos

Quando nanotriangles de grafeno são unidos, seus momentos
magnanãticos formam um estado emaranhado qua¢ntico.

Na trilha do magnetismo com o microsca³pio de tunelamento

No entanto, seu magnetismo permaneceu desconhecido atéagora. Primeiro, a presença de rotações não emparelhadas, que tornam os triangulenos magnanãticos em primeiro lugar, também os tornam extremamente reativos. Em segundo lugar, mesmo com moléculas esta¡veis, éextremamente difa­cil provar o magnetismo de um pedaço tão pequeno de matéria. Mas agora um grupo internacional de cientistas da Empa, a Universidade Tanãcnica de Dresden, a Universidade de Alicante e o Laborata³rio Ibanãrico Internacional de Nanotecnologia em Portugal conseguiram fazer exatamente isso.

A inovação foi possibilitada por uma ferramenta poderosa para investigar a matéria nonívelata´mico - o microsca³pio de varredura por tunelamento (STM). O STM possibilita a condução de correntes elanãtricas atravanãs de a¡tomos ou nanoestruturas individuais depositadas em um substrato condutor. Atéagora, no entanto, os triangulenos individuais apenas forneceram evidaªncias indiretas de sua natureza magnanãtica.

Tria¢ngulo duplo com entrelaa§amento qua¢ntico

Agora, no entanto, os pesquisadores examinaram moléculas nas quais dois triangulenos são unidos por uma única ligação carbono-carbono (os chamados da­meros triangulenos). Essas estruturas forneceram evidência direta da natureza magnanãtica dos triangulenos. Isso ocorre porque a teoria diz o seguinte: se dois triangulenos são unidos, seu magnetismo não éapenas preservado; seus momentos magnanãticos também devem formar um estado "emaranhado qua¢ntico". Isso significa que os giros - os pequenos momentos magnanãticos - de seus elanãtrons não emparelhados devem apontar em direções opostas. Esse estado éconhecido como estado antiferromagnético (ou spin-0).

Além disso, a teoria também previa que deveria ser possí­vel excitar os da­meros triangulenos para um estado em que seus spins não estejam mais perfeitamente alinhados (estado spin-1). A energia necessa¡ria para causar essa excitação, a chamada energia de troca, reflete a força com a qual os giros dos dois triangulenos nos da­meros são ligados no estado antiferromagnanãtico. E, de fato, em seus experimentos, os pesquisadores descobriram que o da­mero trianguleno pode ser excitado atéo estado de rotação 1 injetando elanãtrons com uma energia de 14 meV.

Materiais magnanãticos orga¢nicos para spintra´nica

Os cientistas também sintetizaram um segundo da­mero de trianguleno no qual as unidades de trianguleno não estavam diretamente conectadas por uma ligação simples carbono-carbono, mas por um "espaa§ador", um anel de carbono hexagonal. Os pesquisadores esperavam que esse elemento de conexão maior entre as unidades trianguleno reduzisse significativamente a troca de energia. E foi exatamente isso que os experimentos mostraram: a troca de energia agora era de apenas 2 meV - 85% menor do que com os
triangulenos diretamente conectados.

Esses resultados são relevantes não apenas porque fornecem evidaªncias diretas do magnetismo hámuito esperado em triangulenos, mas também porque mostram como esses nanossistemas nota¡veis ​​podem ser combinados para formar estruturas maiores com estados magnanãticos emaranhados qua¢nticos. No futuro, esses novos materiais magnanãticos (e puramente orga¢nicos) não poderiam ser usados ​​apenas em tecnologias como processamento de informações baseadas em spin, que prometem computadores mais rápidos com menor consumo de energia ou em tecnologias qua¢nticas; mas eles também poderiam fornecer terreno fanãrtil para o estudo de fena´menos fa­sicos exa³ticos.

 

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