Quantum nanomagnets in on-surface metal-free porphyrin chains

纳米磁铁 化学 旋转 凝聚态物理 扫描隧道显微镜 磁性 量子 卟啉 化学物理 量子力学 磁场 物理 磁化 光化学
作者
Yan Zhao,Kaiyue Jiang,Can Li,Yufeng Liu,Gucheng Zhu,Michele Pizzochero,Efthimios Kaxiras,Dandan Guan,Yaoyi Li,Hao Zheng,Canhua Liu,Jinfeng Jia,Mingpu Qin,Xiaodong Zhuang,Shiyong Wang
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41557-022-01061-5
摘要

Unlike classic spins, quantum magnets are spin systems that interact via the exchange interaction and exhibit collective quantum behaviours, such as fractional excitations. Molecular magnetism often stems from d/f-transition metals, but their spin–orbit coupling and crystal field induce a significant magnetic anisotropy, breaking the rotation symmetry of quantum spins. Thus, it is of great importance to build quantum nanomagnets in metal-free systems. Here we have synthesized individual quantum nanomagnets based on metal-free multi-porphyrin systems. Covalent chains of two to five porphyrins were first prepared on Au(111) under ultrahigh vacuum, and hydrogen atoms were then removed from selected carbons using the tip of a scanning tunnelling microscope. The conversion of specific porphyrin units to their radical or biradical state enabled the tuning of intra- and inter-porphyrin magnetic coupling. Characterization of the collective magnetic properties of the resulting chains showed that the constructed S = 1/2 antiferromagnets display a gapped excitation, whereas the S = 1 antiferromagnets exhibit distinct end states between even- and odd-numbered spin chains, consistent with Heisenberg model calculations.

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