FERROMAGNETISMO DE DOS DIMENSIONES EN UNA RED METALORGÁNICA DE UNA SOLA CAPA ATÓMICA

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Un equipo de investigación internacional liderado por el INMA y el CFM, en colaboración con la línea de luz BOREAS del ALBA, consigue por primera vez tener ferromagnetismo bidimensional sobre un marco metalorgánico, un resultado que ha sido buscado durante las dos últimas décadas. Esta red metalorgánica presenta una gran anisotropía magnética perpendicular, una alta remanencia magnética a temperaturas finitas y un campo coercitivo mucho más grande que cualquier otro sistema bidimensional reportado. Esto la hace ser candidata a ser el imán más delgado observado hasta ahora.

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Izquierda: bucle de histéresis de átomos de hierro (Fe) coordinados medidos en el plano (rojo) y fuera del plano (azul). Centro: dependencia de la temperatura de la señal XMCD que muestra una temperatura de Curie de 35 K. Derecha: representación de la orientación del espín en remanencia de la red metalorgánica.


Cerdanyola del Vallès, 1 de marzo 2024 El ferromagnetismo es el alineamiento colectivo de los espines atómicos que mantienen un momento magnético neto por debajo de la temperatura de Curie, incluso en ausencia de campos magnéticos externos. La investigación científica propuso reducir esta propiedad fundamental a dos dimensiones en redes de coordinación metalorgánicas (2D-MOCN), ya que presentan todos los ingredientes esenciales para exhibir ferromagnetismo 2D. Entre otras, estas 2D-MOCN tienen átomos metálicos magnéticos seleccionables con un quenching incompleto del momento orbital magnético y un espaciado periódico de estos momentos magnéticos sobre la superficie (no magnética) a gran escala. También son técnicamente sencillos de fabricar siguiendo protocolos de automontaje cercanos a temperatura ambiente. Pero a pesar de estas propiedades relevantes, históricamente las 2D-MOCN no han mostrado explícitamente tener ferromagnetismo 2D.

Ahora, una combinación de equipos de investigación teóricos y experimentales liderado por el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) en Zaragoza y el Material Physics Centre (CFM) de Donostia-San Sebastián en colaboración con la línea de luz BOREAS del Sincrotrón ALBA y el Laboratorio de Microscopías Avanzadas de la Universidad de Zaragoza, ha demostrado que el ferromagnetismo cooperativo extendido es factible en una red de coordinación metalorgánica bidimensional de una capa de átomos de hierro (Fe) y derivados de antraceno sobre oro Au(111).

Los resultados son muy notables ya que una escasa cantidad de átomos de hierro (un 5% en la composición de la monocapa) produce un bucle de histéresis cuadrado de eje fuera del plano con grandes campos coercitivos de más de 2 Tesla, así como una anisotropía magnética extraordinaria. Este ferromagnetismo está impulsado por interacciones de intercambio, principalmente a través de los enlaces moleculares, que presentan una transición de fase a una temperatura de Curie de Tc ≈ 35 K. El espín observado y el momento orbital encontrado en la red son consistentes con la configuración d6 de alto giro del Fe(II) (L=S=2), que son suficientemente grandes como para dar lugar a una alta anisotropía magnética uniaxial. Es importante destacar que la constante de acoplamiento de intercambio magnético encontrada para este sistema es comparable a la más alta reportada para los ferroimanes 2D-van der Waals ultrafinos y es sin duda mucho superior a la de todas las otras 2D-MOCN estudiadas anteriormente al límite de una sola capa.

Estos descubrimientos se enmarcan en la larga investigación de más de dos décadas sobre el ferromagnetismo 2D en MOCN atómicamente delgadas. Representa así un claro avance en los campos transversales del magnetismo y la ciencia de superficies. El equipo espera que aumente el interés de la comunidad científica en las 2D-MOCN magnéticas y que desencadene un trabajo teórico y experimental de seguimiento capaz de conducir a nuevos sistemas ferromagnéticos que presenten temperaturas de ordenación todavía más altas con densidades de átomos magnéticas muy bajas.

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Imagen general (a) y en primer plano (b) de la red metalorgánica 2D de Fe y derivados de antraceno en Au (111). En (b) se superpone un modelo de la estructura de la red con las moléculas que forman una subestructura de kagome y los adátomos de Fe (esferas marrones) haciendo una subred en forma de panal. Vistas superior y lateral de la estructura optimizada de la red 2D metalorgánica (c) y los isocontornos de densidad de espín correspondientes [rojo (azul) denota el componente de espín mayoritario (minoritario)] (d).



Referencia: Jorge Lobo-Checa, Leyre Hernández-López, Mikhail M. Otrokov, Ignacio Piquero-Zulaica, Adriana Candia, Pierluigi Gargiani, David Serrate, Fernando Delgado, Manuel Valvidares, Jorge Cerdà, Andrés Arnau, and Fernando Bartolomé. Ferromagnetism on an atom-thick & extended 2D metal-organic coordination network. Nature Communications (2024) 15, 1858. https://doi.org/10.1038/s41467-024-46115-z



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