“拓扑挫折”让纳米石墨烯拥有了非常规磁性学术资讯

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“克莱高脚杯”的3D渲染高分辨扫描隧道电镜图。

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从石墨烯中截取的“克莱高脚杯”结构以及苯的凯库勒结构。

根据构型情况，纳米石墨烯可能具有非同寻常的导电、半导体或绝缘性能。然而，它似乎与磁性毫不相关。不过近日，来自德国德累斯顿工业大学和芬兰阿尔托大学等学府的研究人员成功合作制造出了一种具有磁性的纳米石墨烯。相关研究成果刊登于《自然·纳米技术》杂志。

碳纳米材料如何表现出磁性呢？为了解答这个疑惑，我们需要走进化学和原子物理学的世界。石墨烯中的碳原子呈蜂窝状排列。每个碳原子与相邻碳原子之间形成了交替的单键或双键，构成凯库勒结构。泡利不相容原理指出，在凯库勒结构中，如果电子对位于同一轨道，则其自旋方向必须不同。然而在某些六边形结构中，人们无法绘制出满足每个碳原子成键要求的图案。因此在这样的结构中，一个或多个电子被迫保持不配对，无法成键。这些电子的“被迫不配对”现象被称为“拓扑挫折”。

拓扑挫折和磁性有何关联呢？答案是电子自旋。电子绕其自轴旋转时会产生微弱的磁场。通常情况下，原子轨道上如果存在自旋相反的两个电子，它们形成的磁场会相互抵消。如果轨道上有单独存在的电子，就会产生可测量的磁场。这个情况非常令人着迷，但是要将电子自旋用于电路元件，还需另外的步骤——这可能与扫描电镜下观察到的领结状结构“克莱高脚杯”有关系。

“克莱高脚杯”是20世纪70年代，捷克化学家Erich Clar预测的结构。它由两个对称的部分构成，每一部分中都有一个电子必须维持拓扑挫折状态。由于这两个电子是通过对称结构连接的，它们形成了反铁磁耦合，即自旋必然指向相反方向。在反铁磁状态下，克莱高脚杯可作为“非”逻辑门：如果输入端的自旋方向反转，输出端的自旋方向也将被迫旋转。在一定能量（交换耦合能量）的激发下，也可能使克莱高脚杯结构进入铁磁状态。为了使逻辑门在反铁磁状态中保持稳定，交换耦合的能量必须高于能量耗散。这是确保未来基于纳米石墨烯的自旋电子电路在室温下完美运行的重要前提。

现在，研究人员首次在超高真空条件下，在金的表面上制造了克莱高脚杯结构，并证明理论预测与现实情况一致。论文作者Shantanu Mishra解释说：“合成这种结构是很困难的。克莱高脚杯的反应性实在是太强了，它的合成过程也很复杂。”此外，Mishra等还证实，在23兆电子伏特下，克莱高脚杯中的交换耦合能相对较高。论文作者Roman Fasel说：“这意味着基于自旋的逻辑运算在室温下是可以实现的。虽然我们只向着自旋电子学迈出了一小步，但却是非常重要的一步。”

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编译：德克斯特

审稿：alone

责编：张梦

期刊来源：《自然·纳米技术》

期刊编号：1748-3387

原文链接：

https://www.empa.ch/web/s604/topological-frustration