Tvådimensionell magnetisk ordning förverkligad i ett molekylärt schackbrädsystem

Att realisera magnetisk ordning i lågdimensionella system som består av bara en eller två dimensioner har varit ett forskningsmål sedan länge. I en ny studie som publiceras i tidskriften Nature Communications visar Uppsalaforskare att magnetisk ordning kan skapas i ett tvådimensionellt schackbrädgitter bestående av metallorganiska molekyler som är bara ett atomskikt tjockt.

Magnetisk ordning är ett vanligt förekommande fenomen i tredimensionella material, till exempel ferromagnetisk ordning i järnstavmagneten, då magnetiska momenten på alla järnatomer pekar i en och samma riktning. I en eller två dimensioner är långräckande magnetisk ordning vid temperaturer högre än noll dock förbjuden enligt det så kallade Mermin-Wagner teoremet. En möjlighet att ändå åstadkomma en magnetisk fas utan sådan långräckande ordning föreslogs av Kosterlitz och Thouless (Nobelpris 2016) som förutsade att en topologisk magnetisk virvel där de magnetiska momenten pekar i olika riktning och kompenserar varandra kunde vara realiserbart i en tvådimensionell film.

I ett internationellt samarbete har nu forskarna Ehesan Ali och Peter Oppeneer från Uppsala universitet, tillsammans med forskare från Schweiz och Indien, bevisat att långräckande magnetisk ordning kan skapas i speciellt designade molekylsystem bestående av järn- och manganftalocyaninmolekyler. Dessa molekyler, som har stora likheter med järnporfyriner som bland annat finns i naturligt blodet, adsorberades på en guldmetallyta. Molekylen reagerar inte med guldatomer men ordnar sig själv i ett tvådimensionellt schackbrädsmönster bestående av alternerat järn- och manganbaserade molekyler. På detta tvådimensionella molekylgitter kunde forskarna demonstrera magnetisk ordning vid låga temperaturen på bara några grader Kelvin.

Genom storskaliga datorsimulationer kunde Uppsalaforskarna visa på en svag växelverkan mellan magnetiska moment på grannmolekylen som överförs genom guldelektronerna, den så kallade Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshidaväxelverkan. Även om metallftalocyaninmolekyler inte reagerar kemiskt med ädelmetallen guld, känner guldets elektroner de spinnmagnetiska momenten på molekylen och överför informationen till grannmolekylen.

Forskarna upptäckte dessutom att en annan fundamental fysikalisk växelverkan, Kondoavskärmningen, motverkade den magnetiska ordningen. Detta skedde genom att guldelektronerna ändrade deras spinnmagnetiska moment för att neutralisera molekylens moment, något som de inte helt lyckades med och långräckande magnetisk ordning formades.

- Det var fantastiskt att våra noggranna beräkningar kunde fastslå hur magnetisk ordning bildades i molekylskikten. Vår upptäckt kan öppna vägen för att studera hittills okända kvantmagnetiska tillstånd och är ett bidrag till förverkligandet av molekylär kvant-spinntronik, säger Peter Oppeneer, professor vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet.

För mer information vänligen kontakta:
Professor Peter Oppeneer, på 018-471 37 48, 0709-60 40 16 eller Peter.Oppeneer@physics.uu.se

Artikelreferens:
“Long-range ferrimagnetic order in a two-dimensional supramolecular Kondo lattice”, J. Girovsky, J. Nowakowski, Md. Ehesan Ali, M. Baljozovic, H.R. Rossmann, T. Nijs, E.A. Aeby, S. Nowakowska, D. Siewert, G. Srivastava, C. Wäckerlin, J. Dreiser, S. Decurtins, Shi-Xia Liu, P.M. Oppeneer, T.A. Jung & N. Ballav, Nature Communications