石墨烯是一种由碳原子构成的二维蜂窝结构，厚度只有一个原子，具有许多突出的特性。这些包括巨大的机械阻力和非凡的电子和光学特性。去年，由 Empa 研究人员 Roman Fasel 领导的一个团队能够证明它甚至可以具有磁性：他们成功地合成了一种具有特殊磁性的领结形状的分子。
现在，研究人员报告了另一项突破。2007 年的理论工作预测，如果将石墨烯切成小三角形，它可以表现出磁性。在过去三年中，包括 Empa 团队在内的多个团队通过超高真空下的化学合成，成功地生产出仅由几十个碳原子组成的所谓三角烯。
用扫描隧道显微镜追踪磁性
然而，直到现在，它们的磁性仍未被发现。首先，不成对自旋的存在，首先使三角烯具有磁性，也使它们具有极强的反应性。其次，即使是稳定的分子，也很难证明如此微小的一块物质的磁性。但现在，来自 Empa、德累斯顿技术大学、阿利坎特大学和葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室的一个国际科学家小组已经成功地做到了这一点。
这一突破是由一种在原子水平上研究物质的强大工具——扫描隧道显微镜 (STM) 实现的。STM 可以通过沉积在导电基板上的单个原子或纳米结构来传导电流。然而，到目前为止，单个三角形只提供了它们磁性的间接证据。
具有量子纠缠的双三角形
然而，现在研究人员已经检查了其中两个三角烯通过单个碳碳键连接的分子(所谓的三角烯二聚体)。这些结构为三角烯的磁性提供了直接证据。这是因为理论是这样说的：如果将两个三角形连接起来，不仅它们的磁性得以保留;它们的磁矩也应该形成“量子纠缠”状态。这意味着未配对电子的自旋——微小的磁矩——应该指向相反的方向。这种状态被称为反铁磁(或自旋 0)状态。
此外，该理论还预测应该有可能将三角二聚体激发到它们的自旋不再完全对齐的状态(spin-1 状态)。引起这种激发所需的能量，即所谓的交换能，反映了二聚体中两个三角烯的自旋在反铁磁状态下结合的强度。事实上，在他们的实验中，研究人员发现，通过注入能量为 14 meV 的电子，可以将三角二聚体激发到自旋 1 态。
用于自旋电子学的有机磁性材料
科学家们还合成了第二个三角链烯二聚体，其中三角链链烯单元不是通过碳碳单键直接连接，而是通过“间隔物”，即六边形碳环直接连接。研究人员预计，三角单元之间的这种较大的连接元件将显着降低交换能。这正是实验所显示的：交换能现在只有 2 meV——比直接连接的三角烯低 85%。
这些结果具有相关性，不仅因为它们为期待已久的三角烯中的磁性提供了直接证据，而且还因为它们展示了如何将这些非凡的纳米系统组合以形成具有量子纠缠磁态的更大结构。未来，这种新型(纯有机)磁性材料不仅可以用于基于自旋的信息处理等技术，这些技术有望以更低的功耗实现更快的计算机，或者用于量子技术;但它们也可以为研究奇异的物理现象提供肥沃的土壤。