El grafeno se hace magnético mediante nanoestructuración inteligente

Un equipo de científicos liderado por David Serrate, científico del CSIC en el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, INMA, instituto mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza, y responsable de esta investigación, ha conseguido medir por primera vez el comportamiento magnético de una nanoestructura de grafeno. El trabajo de investigación ha sido publicado en la prestigiosa revista Nature Communications, en la que los autores no sólo han desvelado el estado magnético de cintas estrechas de grafeno (~2 nm), sino que también han mostrado el método que han desarrollado para caracterizar magnéticamente cualquier nanografeno planar.

El trabajo de investigación, que se desarrolló por un equipo multidisciplinar, con investigadores del INMA, DIPC (Donostia International Physics Center) CINN (Nanomaterials & Nanotechnology Reserach center, CSIC Universidad de Ovideo), CFM (Centro de Fisica de Materiales,CSIC-Universidad del País Vasco) y CIQUS (Centro Singular de investiguación en Química Biológica y Materiales Moleculares (Universidad de Santiago de Compostela), se desarrolló de manera experimental, en su totalidad, en el Laboratorio de Microscopias Avanzadas (LMA), Infraestructura Científico-Técnica Singular (ICTS) de la Universidad de Zaragoza y vinculada al Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, INMA.

Para el desarrollo de esta investigación se partió de un precursor orgánico específicamente diseñado y se sintetizaron las cintas directamente sobre una superficie magnética, obteniendo bordes atómicamente precisos consistentes en una secuencia alterna de segmentos de grafeno en zig-zag. Esta geometría permite confinar fuertemente la nube de electrones del grafeno en torno a su borde, lo que provoca una inestabilidad que es responsable del magnetismo intrínseco de la nanoestructura de grafeno -un hecho destacable, teniendo en cuenta que la cinta está formada únicamente por átomos no-magnéticos de carbono e hidrógeno-. El método de detección es la técnica STM polarizado en espín, una especie de microscopía que toma imágenes de la corriente de electrones que fluye entre la muestra y una aguja atómicamente afilada capaz de contar cuántos electrones viajan con una u otra magnetización.

Las nanoestructuras de grafeno resultan de gran interés para la ingeniería de estados electrónicos, ya que disponen de propiedades magnéticas y cuánticas a medida. Las técnicas de síntesis bottom-up han logrado producir estructuras atómicamente perfectas con tamaño, forma y topología de bordes controlados. Gracias a su versatilidad, su bajo coste de producción y sus dimensiones dentro de la escala cuántica, se consideran una excelente alternativa a los dispositivos electrónicos basados en silicio.

La investigación en este campo está orientada a preservar las propiedades cuánticas y mejorar la coherencia cuántica de este tipo de cintas. “Dentro de unos años podremos ofrecer la prueba de concepto de un bit cuántico orgánico y auto-ensamblado… ¡o eso espero!», afirma David Serrate, científico del CSIC en el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón y responsable de esta investigación.

REFERENCIA

Detecting the spin-polarization of edge states in graphene nanoribbons. Nature Communications 14, 6677 (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42436-7

Izquierda: imagen topográfica de uno de las nanocintas de grafeno sobre una monocapa magnética de GdAu₂, superimpuesta con su estructura molecular.

Derecha: ampliación de una de las cintas junto con su mapa de imanación simultáneo, que muestra la densidad de espín del borde resuelta espacialmente.