El encuentro supone el punto de partida de un proyecto de investigación de 4 años coordinado por CIC nanoGUNE e integrado por IBM Research, Donostia International Physics Center, la Universidad de Santiago de Compostela, la Universidad Técnica de Delft y la Universidad de Oxford. El consorcio formado por estas seis instituciones de investigación europeas líderes ha recibido un total de 3,5 millones de euros de la Comisión Europea en el marco de la altamente competitiva convocatoria FET-Open Horizon 2020, que financia proyectos de investigación interdisciplinarios de vanguardia de alto riesgo y gran impacto, que deben sentar las bases de las radicalmente nuevas tecnologías del futuro.

El proyecto SPRING combina los últimos avances científicos de los miembros del consorcio para fabricar nanoestructuras de grafeno magnéticas hechas a medida y probar su potencial como elementos básicos en dispositivos cuánticos espintrónicos. El objetivo a largo plazo es el desarrollo de una plataforma hecha totalmente de grafeno, respetuosa con el medio ambiente, en la cual los espines se puedan usar para transportar, almacenar y procesar la información.

El espín es una propiedad intrínseca de los electrones que hace que se comporten como pequeños imanes. Por ejemplo, cada electrón en cualquier material lleva una carga y un espín, siendo éste último clave para el magnetismo.

La comunidad científica coincide en que el espín es la propiedad de la materia ideal para hacer avanzar el rendimiento de la nanoelectrónica actual basada en la carga, a una clase de componentes más rápidos y de mayor eficiencia energética, siendo ésta la base de la tecnología emergente llamada espintrónica cuántica. El proyecto SPRING investigará las leyes fundamentales para crear y detectar espines en grafeno, es decir, leer y escribir espines, y utilizarlos posteriormente para transmitir información.

José Ignacio Pascual, profesor de investigación Ikerbasque en el CIC nanoGUNE y coordinador científico del proyecto, explica que "el grafeno es ideal para las tecnologías de la información del futuro porque podemos fabricar fragmentos de forma definida con precisión atómica. En este proyecto vamos a estudiar sus propiedades magnéticas y su potencial para ser integrado en dispositivos cuánticos”.

Grafeno, un imán para múltiples sectores

El grafeno es un material diamagnético, esto significa que no le gusta el magnetismo, y se muestra reacio a magnetizarse. Y a pesar de esto, hay cálculos teóricas predicen que una estructura triangular de este material podría llegar a ser magnética. Esta aparente contradicción es consecuencia de que para ciertas formas “mágicas” del grafeno los electrones parecen “girar” más fácilmente en una dirección determinada, forma coloquial para decir que tienen un mismo espín, y con ello lo vuelven magnético. Un trianguleno es una estructura triangular de grafeno donde las predicciones afirmaban que se puede conseguir un estado magnético puro. En otras palabras, es como un imán de dimensiones nanométricas. Dotar al grafeno de magnetismo abre perspectivas fascinantes en su aplicación en tecnologías cuánticas, por ejemplo.

Sin embargo, a pesar de la rotundidad de las predicciones sobre el magnetismo del trianguleno hasta la fecha no había pruebas experimentales claras del mismo. Por un lado, la producción de trianguleno por métodos de síntesis orgánica en solución es muy difícil, porque el carácter bi-radical de esta molécula hace que sea muy reactiva. Además, parece que su magnetismo es extremadamente esquivo en los pocos casos en los que se han estudiado con éxito.

Ahora, este nuevo estudio vasco-gallego, publicado en la revista científica Physical Review Letters [1], ha retomado este reto utilizando un microscopio de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés). Después de fabricar con precisión atómica una pieza de grafeno triangular de un par de nanómetros de tamaño sobre una superficie de oro limpia, medidas de espectroscopía de efecto túnel revelaron que este compuesto posee un estado magnético neto caracterizado por un espín S=1 y que, por lo tanto, esta molécula es un pequeño “paraimán” de carbono puro. Estos resultados constituyen la primera manifestación experimental de una estructura de grafeno de espín alto.

Un paso más

Estos descubrimientos han sido complementados con un experimento de manipulación atómica de productos residuales de trianguleno: algunas estructuras se formaban con más átomos de hidrógeno de los debidos, los cuales pasivaban su magnetismo. Mediante la extracción controlada de estos átomos de hidrógeno uno a uno con el STM, los investigadores observaron como el magnetismo de trianguleno se iba recuperando paso a paso.

La prueba experimental del magnetismo del trianguleno pasaba por una dificultad adicional. Al contrario que un imán macroscópico, un “paraimán” no tiene polos bien definidos debido a su pequeño tamaño. Por ello, la detección de su estado magnético no podía realizarse con técnicas más convencionales de espectroscopía, donde la orientación del magnetismo del imán pudiera facilitar su detección. En este trabajo, la prueba experimental de su estado magnético fue obtenida mediante la detección del efecto Kondo multicanal – una versión “exótica” del efecto Kondo tradicional descrito en los años 60 – y que puede surgir en sistemas magnéticos complejos. Su observación en una estructura triangular de grafeno, de apenas 40 átomos de carbono, es un hito que puede abrir todo un horizonte en nuestra comprensión del origen de este magnetismo, y de su posible integración en estructuras magnéticas mas complejas.

Este trabajo se ha desarrollado en el marco del proyecto europeo SPRING FET Open, Spin Research in Graphene (Investigación del espín en grafeno), liderado por el investigador Ikerbasque en nanoGUNE, Jose Ignacio Pascual. El objetivo del proyecto a largo plazo es el desarrollo de una plataforma hecha totalmente de grafeno, respetuosa con el medio ambiente, en la cual los espines se puedan usar para transportar, almacenar y procesar la información.