Un nanomatériau 2D constitué de molécules organiques liées à des atomes de métal dans une géométrie spécifique à l’échelle atomique présente des propriétés électroniques et magnétiques non triviales dues à de fortes interactions entre ses électrons.
Une nouvelle étude, publiée aujourd’hui, montre l’émergence du magnétisme dans un matériau organique 2D en raison de fortes interactions électron-électron ; ces interactions sont la conséquence directe de la structure unique, en étoile, 100% Voyage du matériau à l’échelle atomique.
Il s’agit de la première observation de moments magnétiques locaux émergeant des interactions entre électrons dans un matériau organique 2D atomiquement mince.
Ces résultats pourraient être appliqués à l’électronique de nouvelle génération basée sur des nanomatériaux organiques, où le réglage des interactions entre électrons peut conduire à une vaste gamme de phases et de propriétés électroniques et magnétiques.
FORTES INTERACTIONS ÉLECTRON-ÉLECTRON DANS UN MATÉRIAU ORGANIQUE 2D DE TYPE KAGOME
L’étude de l’université Monash a porté sur un nanomatériau métallo-organique en 2D composé de molécules organiques disposées selon une géométrie de type kagome, c’est-à-dire suivant un motif en étoile.
Le nanomatériau organométallique 2D est constitué de molécules de dicyanoanthracène (DCA) coordonnées avec des atomes de cuivre sur une surface métallique à faible interaction (argent).
Grâce à des mesures minutieuses et atomiquement précises par microscopie à sonde à balayage (SPM), les chercheurs ont découvert que la structure métallo-organique en 2D – dont les éléments constitutifs moléculaires et atomiques sont en soi non magnétiques – héberge des moments magnétiques confinés à des endroits spécifiques.
Les calculs théoriques ont montré que ce magnétisme émergent est dû à une forte répulsion de Coulomb entre les électrons et les électrons, due à la géométrie spécifique du kagome en 2D.
« Nous pensons que cela peut être important pour le développement des futures technologies électroniques et spintroniques basées sur des matériaux organiques, où le réglage des interactions entre les électrons peut conduire au contrôle d’une large gamme de propriétés électroniques et magnétiques », explique le professeur Agustin Schiffrin du CI FLEET.
SONDAGE DIRECT DU MAGNÉTISME PAR L’EFFET KONDO
Les électrons des matériaux 2D présentant une structure cristalline kagome peuvent être soumis à de fortes interactions coulombiennes en raison de l’interférence destructive des fonctions d’onde et de la localisation quantique, ce qui conduit à un large éventail de phases électroniques topologiques et fortement corrélées.
Ces fortes corrélations électroniques peuvent se manifester par l’émergence du magnétisme et, jusqu’à présent, n’ont pas été observées dans des matériaux organiques 2D atomiquement minces. Ces derniers peuvent être bénéfiques pour les technologies à l’état solide en raison de leur accordabilité et de leur capacité d’auto-assemblage.
Dans cette étude, le magnétisme résultant de fortes interactions électron-électron Coulomb dans un matériau organique 2D de type kagome a été révélé par l’observation de l’effet Kondo.
« L’effet Kondo est un phénomène à plusieurs corps qui se produit lorsque des moments magnétiques sont masqués par une mer d’électrons de conduction. Par exemple, ceux d’un métal sous-jacent », explique l’auteur principal et membre de FLEET, le Dr Dhaneesh Kumar. « Et cet effet peut être détecté par les techniques SPM ».
« Nous avons observé l’effet Kondo, et en avons conclu que le matériau organique 2D devait héberger des moments magnétiques. La question est alors devenue ‘d’où vient ce magnétisme' ».
La modélisation théorique de Bernard Field et de ses collègues a montré sans ambiguïté que ce magnétisme est la conséquence directe de fortes interactions coulombiennes entre électrons. Ces interactions n’apparaissent que lorsque l’on fait entrer les parties normalement non magnétiques dans un cadre métallo-organique 2D de type kagome. Ces interactions empêchent l’appariement des électrons, les spins des électrons non appariés donnant lieu à des moments magnétiques locaux.
« La modélisation théorique de cette étude offre un aperçu unique de la richesse de l’interaction entre les corrélations quantiques et les phases topologiques et magnétiques. L’étude nous donne quelques indices sur la façon dont ces phases non triviales peuvent être contrôlées dans les matériaux kagome 2D pour des applications potentielles dans des technologies électroniques révolutionnaires », déclare le CI FLEET A/Prof Nikhil Medhekar.
