Atteindre l'ordre magnétique dans des systèmes de faible dimension constitués d'une ou deux dimensions seulement est un objectif de recherche depuis un certain temps. Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Communication Nature , Les chercheurs d'Uppsala montrent que l'ordre magnétique peut être créé dans un réseau en échiquier bidimensionnel composé de molécules organométalliques d'une seule couche atomique.

L'ordre magnétique est un phénomène courant dans les matériaux tridimensionnels, tels que l'ordre ferromagnétique dans les aimants en barre de fer, où les moments magnétiques sur tous les atomes de fer pointent dans la même direction. En une ou deux dimensions, un ordre magnétique à longue portée à des températures supérieures à zéro n'est pas possible, cependant, d'après le théorème de Mermin-Wagner. Une possibilité d'obtenir une phase magnétique sans un tel ordre à longue distance a été suggérée par Kosterlitz et Thouless (Prix Nobel 2016), qui a prédit qu'un vortex magnétique topologique dans lequel les moments magnétiques pointent dans différentes directions et se compensent pourrait être réalisable dans un film bidimensionnel.

Les chercheurs Ehesan Ali et Peter Oppeneer de l'Université d'Uppsala ont maintenant montré dans une collaboration internationale avec des chercheurs de Suisse et d'Inde qu'un ordre magnétique à longue distance peut être créé dans des systèmes moléculaires spécialement conçus constitués de molécules de fer et de manganèse phtalocyanine. Ces molécules, qui ont de grandes similitudes avec les porphyrines de fer que l'on trouve dans le sang naturel, ont été adsorbés sur une surface en métal doré. Les molécules ne réagissent pas avec les atomes d'or, mais s'ordonnent plutôt dans un motif d'échiquier bidimensionnel composé d'une alternance de molécules à base de fer et de manganèse. Dans ce réseau de molécules à deux dimensions, les chercheurs ont pu démontrer l'ordre magnétique à des températures basses de quelques degrés Kelvin.

Grâce à des simulations informatiques à grande échelle, les chercheurs d'Uppsala ont pu mettre en évidence une faible interaction entre des moments magnétiques sur la molécule voisine, qui ont été transmis par les électrons d'or, l'interaction dite Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY). Bien que les molécules de phtalocyanine métallique ne réagissent pas chimiquement avec l'or, un métal noble, les électrons de l'or détectent les moments magnétiques de spin sur la molécule et transmettent cette information à la molécule voisine.

Les chercheurs ont également détecté qu'une autre interaction physique fondamentale, la projection de Kondo, contrecarré l'ordre magnétique. Cela s'est produit parce que les électrons d'or ont changé leurs moments magnétiques de spin pour neutraliser le moment de la molécule, quelque chose qu'ils n'ont pas tout à fait réussi, et donc un ordre magnétique à longue portée s'est formé.

"C'était incroyable que nos calculs minutieux puissent établir comment l'ordre magnétique est formé dans la couche moléculaire, " dit Peter Oppeneer, Professeur au Département de physique et d'astronomie de l'Université d'Uppsala. "Notre découverte peut ouvrir la voie à l'étude d'états magnétiques quantiques inconnus jusqu'à présent, et contribue à la réalisation de la spintronique quantique moléculaire."