2D有机材料一定具有磁矩,这种磁力从何而来?

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据外媒报道,一种由有机分子跟特定原子尺度的金属原子组成的二维纳米材料由于其电子之间的强烈相互作用显示出非平凡的电子和磁性。日前发表的一项新研究表明,由于强烈的电子-电子相互作用,2D有机材料中出现了磁性,这些相互作用是这种物质独特的、类似星形的原子尺度结构的直接结果。

这是在原子薄的2D有机材料中首次观察到由电子间相互作用产生的局域磁矩。

这一发现在基于有机纳米材料的下一代电子学中具有应用潜力,在这种材料中,调整电子之间的相互作用可以导致广泛的电子和磁性相和性质。

2D有机kagome材料中的强电子-电子相互作用

莫纳什大学的这项研究调查了一种由有机分子组成的2D金属有机纳米材料,这些分子按照kagome几何形状排列,也就是说,遵循“星状”模式。

该2D金属有机纳米材料由二氰基蒽(DCA)分子跟铜原子在弱相互作用的金属表面(银)配位。

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通过仔细和原子精确的扫描探针显微镜(SPM)测量,研究人员发现2D金属有机结构–其分子和原子的构建块本身是非磁性的–具有限制在特定位置的磁矩。

理论计算表明,这种出磁是由2D kagome几何给出的强电子-电子库仑斥力引起的。

FLEET CI a / Agustin Schiffrin教授指出:“我们认为这对未来电子学和基于有机材料的自旋电子学技术的发展非常重要,在有机材料中,电子之间的相互作用可以导致控制广泛的电子和磁性特性。”

通过近藤效应直接探测磁力

由于破坏性波函数干涉和量子局域化,具有kagome晶体结构的2D材料的电子可能受到强烈的库仑相互作用,导致广泛的拓扑和强相关的电子相。

这种强烈的电子关联可以通过磁性的出现来表现出来,直到现在,还没有在原子薄的2D有机材料中观察到。由于固态技术的可调性和自组装能力,后者可以为固态技术带来好处。

在这项研究中,通过观察近藤效应揭示了2D kagome有机材料中强电子-电子库仑相互作用产生的磁性。

“近藤效应是一种多体现象,当磁矩被传导电子的海洋屏蔽时就会发生。如从底层金属中提取,”该研究的论文主要作者、FLEET成员Dhaneesh Kumar博士说道,“这种效应可以被SPM技术检测到。我们观察了近藤效应并从那里得出结论,2D有机材料一定具有磁矩。于是问题变成了‘’这种磁力从何而来?’”

Bernard Field及其同事的理论模型清楚地表明,这种磁性是电子间强库仑相互作用的直接结果。只有当将正常的非磁性部件放入2D kagome金属-有机框架中时,这些相互作用才会出现。这些相互作用阻碍电子配对,未配对电子的自旋则会产生局域磁矩。

FLEET CI A/Nikhil Medhekar教授表示:“这项研究中的理论建模为丰富的相互作用之间的量子关联、拓扑和磁相提供了一个独特的见解。这项研究为我们提供了一些关于如何在开创性的电子技术中潜在应用的2D kagome材料中控制这些非微不足道的相的提示。”

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