Da quando il grafene – un sottile foglio di carbonio spesso solo un atomo – è stato scoperto più di 15 anni fa, il materiale miracoloso è diventato un cavallo di battaglia nella ricerca scientifica sui materiali. Una delle scoperte più recenti riguarda la possibilità di affettare il grafene lungo il bordo del suo reticolo a nido d'ape per creare strisce di grafene a zigzag unidimensionali o nanonastri con proprietà magnetiche esotiche.
Molti ricercatori hanno cercato di sfruttare l'insolito comportamento magnetico dei nanonastri in dispositivi spintronici a base di carbonio che consentono l'archiviazione dei dati ad alta velocità e bassa potenza e le tecnologie di elaborazione delle informazioni codificando i dati attraverso lo spin degli elettroni anziché la carica. Ma poiché i nanonastri a zigzag sono altamente reattivi, i ricercatori si sono cimentati con come osservare e incanalare le loro proprietà esotiche in un dispositivo del mondo reale.
Ora, come riportato sulla rivista Nature, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'UC Berkeley hanno sviluppato un metodo per stabilizzare i bordi dei nanonastri di grafene e misurare direttamente le loro proprietà magnetiche uniche.
Il team co-guidato da Felix Fischer e Steven Louie, entrambi scienziati della facoltà della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, ha scoperto che sostituendo alcuni degli atomi di carbonio lungo i bordi a zigzag del nastro con atomi di azoto, potevano discretamente sintonizzare la struttura elettronica locale senza interrompere le proprietà magnetiche. Questo sottile cambiamento strutturale ha ulteriormente permesso lo sviluppo di una tecnica di microscopia a scansione di sonda per misurare il magnetismo locale del materiale su scala atomica.
Guidati da modelli teorici, Fischer e Louie hanno progettato un blocco molecolare su misura con una disposizione di atomi di carbonio e azoto che possono essere mappati sulla struttura precisa dei nanonastri di grafene a zigzag desiderati. Per costruire i nanonastri, i piccoli blocchi molecolari vengono prima depositati su una superficie metallica piana o substrato. Successivamente, la superficie viene riscaldata delicatamente, attivando due maniglie chimiche alle due estremità di ciascuna molecola. Questa fase di attivazione rompe un legame chimico e lascia dietro di sé una "estremità appiccicosa" altamente reattiva.
Ogni volta che due "estremità appiccicose" si incontrano mentre le molecole attivate si diffondono sulla superficie, le molecole si combinano per formare nuovi legami carbonio-carbonio. Alla fine, il processo costruisce catene a margherita 1D di blocchi molecolari. Infine, una seconda fase di riscaldamento riorganizza i legami interni della catena per formare un nanonastro di grafene con due bordi paralleli a zigzag.
La sfida successiva è stata quella di misurare le proprietà dei nanonastri. In primo luogo, il team doveva capire come separare la struttura elettronica del nastro dal suo substrato. Fischer ha risolto il problema utilizzando una punta del microscopio a scansione a effetto tunnel per rompere irreversibilmente il legame tra il nanonastro di grafene e il metallo sottostante.
La seconda sfida è stata quella di sviluppare una nuova tecnica per misurare direttamente un campo magnetico su scala nanometrica. Fortunatamente, i ricercatori hanno scoperto che gli atomi di azoto sostituiti nella struttura dei nanonastri agivano effettivamente come sensori su scala atomica.
I calcoli eseguiti da Louie utilizzando le risorse di calcolo presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) hanno prodotto previsioni quantitative delle interazioni che derivano dagli stati di bordo polarizzati di spin dei nastri. Le misurazioni al microscopio delle firme precise delle interazioni magnetiche corrispondevano a tali previsioni e confermavano le loro proprietà quantistiche.
"Esplorare e infine sviluppare gli strumenti sperimentali che consentono l'ingegneria razionale di questi bordi magnetici esotici apre la porta a opportunità senza precedenti della spintronica a base di carbonio", ha detto Fischer, riferendosi ai dispositivi nanoelettronici di prossima generazione che si basano sulle proprietà intrinseche degli elettroni. Il lavoro futuro comporterà l'esplorazione dei fenomeni associati a queste proprietà in architetture a zigzag di grafene progettate su misura.