Магнитный порядок — обычное явление в трехмерных материалах, например ферромагнитный порядок в железных стержневых магнитах, когда магнитные моменты всех атомов железа направлены в одном направлении. Однако в одном или двух измерениях дальний магнитный порядок при температурах выше нуля невозможен согласно теореме Мермина-Вагнера. Возможность достичь магнитной фазы без такого дальнего порядка была предложена Костерлицем и Таулесом (Нобелевская премия 2016 г.), которые предсказали, что топологический магнитный вихрь, в котором магнитные моменты направлены в разные стороны и компенсируют друг друга, может быть реализован в двухмерный фильм.Исследователи Эхесан Али и Питер Оппенир из Уппсальского университета показали в международном сотрудничестве с исследователями из Швейцарии и Индии, что дальний магнитный порядок может быть создан в специально разработанных молекулярных системах, состоящих из молекул фталоцианина железа и марганца.
Эти молекулы, которые имеют большое сходство с порфиринами железа, содержащимися в естественной крови, были адсорбированы на поверхности металлического золота. Молекулы не вступают в реакцию с атомами золота, а вместо этого выстраиваются в виде двухмерной шахматной доски, состоящей из чередующихся молекул на основе железа и марганца. В этой двумерной решетке молекул исследователи смогли продемонстрировать магнитный порядок при низких температурах всего в несколько градусов Кельвина.
С помощью крупномасштабного компьютерного моделирования исследователи из Упсалы смогли продемонстрировать слабое взаимодействие между магнитными моментами на соседней молекуле, которые передавались через золотые электроны, так называемое взаимодействие Рудермана-Киттеля-Касуя-Йосиды (RKKY). Хотя молекулы фталоцианина металла не вступают в химическую реакцию с золотом из благородного металла, электроны золота воспринимают спиновые магнитные моменты молекулы и передают эту информацию соседней молекуле.
Исследователи также обнаружили, что еще одно фундаментальное физическое взаимодействие, экранирование Кондо, противодействует магнитному порядку. Это произошло из-за того, что золотые электроны изменили свои спиновые магнитные моменты, чтобы нейтрализовать момент молекулы, что им не совсем удалось, и поэтому сформировался дальний магнитный порядок.
«Было удивительно, что наши тщательные расчеты смогли установить, как магнитный порядок формируется в молекулярном слое», — говорит Питер Оппенир, профессор кафедры физики и астрономии Уппсальского университета. «Наше открытие может проложить путь к изучению пока неизвестных квантовых магнитных состояний и внести вклад в реализацию молекулярной квантовой спинтроники».