作者卡琳·温曼，瑞士联邦材料科学与技术实验室 克拉尔高脚杯的三维高分辨率扫描隧道显微照片
信用:Empa 石墨烯是由碳构成的二维结构，是一种具有优异的机械、电子和光学性能的材料
然而，它似乎不适合磁性应用
Empa的研究人员与国际合作伙伴一起，现已成功合成了一种独特的纳米石墨烯，这种纳米石墨烯在20世纪70年代曾被预言，它最终证明了非常特殊形式的碳具有磁性，可以应用于未来的自旋电子学
研究结果刚刚发表在著名的《自然纳米技术》杂志上
根据其边缘的形状和方向，石墨烯纳米结构(也称为纳米石墨烯)可以具有非常不同的性质，例如，它们可以表现出导电、半导电或绝缘的行为
然而，迄今为止，有一个特性一直难以捉摸:磁性
Empa的研究人员与来自德累斯顿技术大学、芬兰阿尔托大学、美因茨马克斯·普朗克聚合物研究所和伯尔尼大学的同事一起，现在已经成功地构建了一种具有磁性的纳米石墨烯，这种纳米石墨烯可能是室温下自旋电子功能的决定性成分
石墨烯仅由碳原子组成，但磁性几乎与碳没有关系
那么碳纳米材料怎么可能表现出磁性呢？为了理解这一点，我们需要去一趟化学和原子物理的世界
石墨烯中的碳原子排列成蜂窝状结构
每个碳原子有三个相邻的碳原子，与它们形成交替的单键或双键
在单键中，每个原子的一个电子——所谓的价电子——与其邻居结合；在双键中，每个原子中有两个电子参与
有机化合物的这种交替的单键和双键表示被称为凯库勒结构，以德国化学家奥古斯特·凯库勒的名字命名，他首先提出了最简单的有机化合物苯的这种表示(图1)
这里的规则是，居住在同一轨道上的电子对的旋转方向一定不同——所谓的自旋——这是量子力学泡利排斥原理的结果
“然而，在某些由六边形构成的结构中，人们永远也画不出满足每个碳原子键合要求的交替单键和双键模式
因此，在这样的结构中，一个或多个电子被迫保持不成对，不能形成键，”尚塔努·米什拉解释道，他在罗曼·法塞尔领导的Empa纳米技术@表面实验室研究新型纳米缝
这种电子不自觉地断开的现象被称为“拓扑挫折”(图1)
左图:克拉尔高脚杯是石墨烯的一部分
右图:苯的凯库勒结构的图解(上图)和为克拉尔的高脚杯画凯库勒结构而不留下不成对的电子是不可能的(下图)
信用:Empa 但是这和磁性有什么关系呢？答案在于电子的“自旋”
电子绕着自己的轴旋转会产生一个微小的磁场，一个磁矩
如果像往常一样，在一个原子的轨道上有两个自旋相反的电子，这些磁场就会相互抵消
然而，如果一个电子单独在其轨道上，磁矩仍然存在——于是产生了一个可测量的磁场
仅此一点就令人着迷
但是为了能够利用电子的自旋作为电路元件，还需要一个步骤
一个答案可能是在扫描隧道显微镜下看起来像蝴蝶结的结构(图2)
一个分子中的两个受抑电子 早在20世纪70年代，捷克化学家埃里希·克拉尔(Erich Clar)是纳米石墨化学领域的杰出专家，他预言了一种被称为“克拉尔杯”的蝴蝶结状结构(图1)
它由两个对称的半部分组成，其构造方式是每个半部分中的一个电子必须在拓扑上保持受阻
然而，由于这两个电子是通过结构连接的，它们是反铁磁耦合的——也就是说，它们的自旋方向必然相反
在反铁磁状态下，克拉尔的高脚杯可以充当“非”逻辑门:如果输入端的自旋方向相反，输出端的自旋也必须旋转
左图:克拉尔高脚杯的实验性高分辨率扫描隧道显微照片
右图:克拉尔高脚杯的球棒模型(碳原子:灰色，氢原子:白色)，反铁磁基态(蓝色:自旋向上，红色:自旋向下)自旋密度分布重叠
信用:Empa 然而，也有可能使该结构进入铁磁状态，其中两个自旋沿着相同的方向取向
要做到这一点，该结构必须被某种能量激发，即所谓的交换耦合能量，以便其中一个电子反转其自旋
然而，为了使栅极在其反铁磁状态下保持稳定，它不能自发地切换到铁磁状态
为了使这成为可能，当门在室温下操作时，交换耦合能量必须高于能量耗散
这是确保未来基于纳米晶体的自旋电子电路在室温下能够完美运行的核心前提
从理论到现实 然而，迄今为止，室温稳定的磁性碳纳米结构只是理论上的构建
研究人员现在第一次成功地在实践中产生了这样一种结构，并表明理论确实符合现实
米什拉解释说:“实现这种结构要求很高，因为克莱尔的高脚杯反应性很强，而且合成很复杂。”
从一个前体分子开始，研究人员能够在金表面的超高真空中实现克拉尔高脚杯，并通过实验证明该分子完全具有预测的性质
重要的是，他们能够证明克拉尔高脚杯中的交换耦合能量在23兆电子伏时相对较高(图2)，这意味着基于自旋的逻辑运算因此可以在室温下保持稳定
“这是迈向自旋电子学的一小步，但却是重要的一步，”罗曼·法塞尔说
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