El grafeno es un material diamagnético, es decir, no le gusta el magnetismo, se muestra reacio a magnetizarse. A pesar de esto, diversos cálculos teóricos predecían que una estructura triangular de este material puede llegar a ser magnética. Esta aparente contradicción es consecuencia de que, en ciertas formas ‘mágicas’ de este material, los electrones parecen ‘girar’ más fácilmente en una dirección determinada, una forma coloquial de decir que tienen un mismo espín y que, por tanto, se vuelve magnético.

Con la ayuda de un microscopio de efecto túnel, se presenta la primera evidencia experimental del magnetismo innato de una diminuta estructura triangular de grafeno, de apenas 40 átomos de carbono

En concreto, el denominado trianguleno es la estructura triangular del grafeno donde las predicciones afirmaban que se puede conseguir un estado magnético puro. En otras palabras, es como un imán de dimensiones nanométricas.

Dotar al grafeno de magnetismo abre perspectivas fascinantes en su aplicación en tecnologías cuánticas, por ejemplo. Sin embargo, a pesar de las predicciones sobre el magnetismo del trianguleno hasta la fecha no había pruebas experimentales claras del mismo.

Por un lado, su producción por métodos de síntesis orgánica en solución es muy difícil, ya que el carácter biradical de esta molécula hace que sea muy reactiva. Además, parece que su magnetismo es extremadamente esquivo en los pocos casos en los que se han estudiado con éxito.

Pero ahora, investigadores del Donostia International Physics Center (DIPC), CIC nanoGUNE y CiQUS de la Universidad de Santiago de Compostela han obtenido la primera evidencia experimental realizada con un microscopio de efecto túnel (capaz de captar imágenes de superficies a nivel atómico) del magnetismo innato en una diminuta estructura triangular de grafeno, de apenas 40 átomos de carbono. El estudio se publica en la revista Physical Review Letters.

Un pequeño ‘paraimán’ de carbono puro

Después de fabricar con precisión atómica una pieza de grafeno triangular de un par de nanómetros sobre una superficie de oro limpia, medidas de espectroscopía de efecto túnel revelaron que este compuesto posee un estado magnético neto caracterizado por un espín S=1, lo que supone la primera manifestación experimental de una estructura de grafeno de espín alto y que esta molécula es un pequeño ‘paraimán’ de carbono puro.

Estos descubrimientos han sido complementados con un experimento de manipulación atómica de productos residuales de trianguleno, donde algunas estructuras se formaban con más átomos de hidrógeno de los debidos, los cuales enmascaraban su magnetismo.

Este hito abre un horizonte en nuestra comprensión del origen de este tipo de magnetismo y su integración en estructuras magnéticas más complejas, ampliando sus potenciales aplicaciones a distintos campos de la vida cotidiana

Mediante la extracción controlada de estos átomos de hidrógeno uno a uno con el microscopio, los investigadores observaron como el magnetismo del trianguleno se iba recuperando paso a paso.

Pero la prueba experimental del magnetismo del trianguleno pasaba por una dificultad adicional. Al contrario que un imán macroscópico, un ‘paraimán’ no tiene polos bien definidos debido a su pequeño tamaño. Por ello, la detección de su estado magnético no podía realizarse con técnicas más convencionales de espectroscopía, donde la orientación del magnetismo del imán pudiera facilitar su detección

En este trabajo, la prueba experimental de su estado magnético fue obtenida mediante la detección del llamado efecto Kondo multicanal –una versión exótica del efecto Kondo tradicional (comportamiento particular de algunos conductores a baja temperatura) – y que puede surgir en sistemas magnéticos complejos.

Según los autores, su observación en una estructura triangular de grafeno es un hito que puede abrir todo un horizonte en nuestra comprensión del origen de este magnetismo y su integración en estructuras magnéticas más complejas, ampliando así el conocimiento de este versátil material y sus potenciales aplicaciones a distintos campos de la vida cotidiana.

Esta investigación se ha desarrollado en el marco del proyecto europeo SPRING FET Open, Spin Research in Graphene (Investigación del espín en grafeno). Su objetivo final es desarrollar una plataforma totalmente de grafeno y respetuosa con el medio ambiente, en la que los espines se puedan usar para transportar, almacenar y procesar la información.

Foto del grupo de investigadores. / DIPC, CIC nanoGUNE y CiQUS-USC

Referencia:

Jingcheng Li, Sofia Sanz, Jesus Castro-Esteban, Manuel Vilas-Varela, Niklas Friedrich, Thomas Frederiksen, Diego Peña y Jose Ignacio Pascual. “Uncovering the Triplet Ground State of Triangular Graphene Nanoflakes Engineered with Atomic Precision on a Metal Surface”.  Phys. Rev. Lett. 124, 177201 – 27 April 2020