Anisotropi af spin-gitter-relaksationer i molekylære magneter

Forskere fra IFJ PAN tog i samarbejde med forskere fra Nara Women's University (Japan) og Jagiellonian University (Polen) endnu et vigtigt skridt hen imod at bygge en funktionel kvantecomputer. Brug af materiale indeholdende terbiumioner og dedikerede eksperimentelle værktøjer, de udførte en detaljeret analyse af dynamiske magnetiske egenskaber i individuelle molekylære magneter vedrørende deres orientering i et magnetfelt. Opdaget stærk anisotropi af disse egenskaber er afgørende i konstruktionen af ​​molekylære elektronikkomponenter.

En af de største udfordringer, som moderne videnskab står over for, er at bygge en overkommelig og højeffektiv kvantecomputer, der vil revolutionere IT-industrien. I dag, der søges forskellige løsninger, der kan føre til konstruktionen af ​​en sådan enhed. Disse omfatter superledende systemer, kvanteprikker og fotoner i resonanshulrummet. Der udføres også intensiv forskning i brugen af ​​molekylære magneter lavet af enkelte molekyler på 1 nm i størrelse (SMM—Single Molecular Magnets). Til dette formål, imidlertid, forskere skal ikke kun finde materialer med de rigtige egenskaber, men også grundigt forstå magnetiske molekylers opførsel. En af de vigtigste forskningsretninger på dette område fokuserer på dynamikken i magnetiske egenskaber. Disse såkaldte magnetiske afslapninger fortæller os, hvordan et givent stofs magnetiske egenskaber ændrer sig over tid. I kvanteverdenen, sådan dynamik er et rigeligt og kompliceret fænomen, derfor undersøger forskere omhyggeligt dets forskellige aspekter.

Indtil nu, omfattende undersøgelser har afsløret muligheden for at bruge molekylære magneter til at skabe hukommelsesceller eller en spin-transistor. Forskere er også i stand til at placere individuelle molekyler på et passende substrat og bruge dem til at bygge simple elektroniske systemer. Målinger bekræfter, at magnetiske afslapninger spiller en afgørende rolle i driften af ​​molekylære systemer. På den anden side, det er kendt, at dynamikken af ​​magnetiske egenskaber afhænger af anisotropien af ​​statiske magnetiske egenskaber. Imidlertid, i de fleste tidligere undersøgelser, enten er indflydelsen af ​​orienteringen af ​​det undersøgte molekyle på dets dynamiske magnetiske egenskaber ikke blevet testet, eller det er kun blevet gjort i begrænset omfang.

Derfor, et team af videnskabsmænd fra Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi ledet af Dr. Eng. Piotr Konieczny besluttede at undersøge, hvordan de dynamiske magnetiske egenskaber af individuelle molekylære magneter ændrer sig afhængigt af molekylernes orientering. Det meste af forskningsarbejdet om magnetisk afslapning omhandler materialer i form af pulver, dvs. kaotisk orienterede krystallitter, eller polykrystaller, hvilket gør det umuligt at analysere, hvordan disse egenskaber ændrer sig med molekylets orientering. Den polske gruppe, derfor, besluttede at studere en enkelt krystal - en monokrystallinsk - hvori alle molekyler var orienteret på samme måde. Dette udgangspunkt gjorde det muligt for forskere at se på virkningerne, der finder sted i et enkelt molekyle. At gøre dette, det var også nødvendigt at bygge et passende eksperimentelt system, der ville gøre det muligt at studere magnetisk afslapning afhængigt af orienteringen af ​​det testede stof.

"Vi ledte efter et materiale, der lever op til de forventede krav, og er især karakteriseret ved stærk magnetisk anisotropi og kan syntetiseres som højkvalitets krystal. På samme tid, vi udviklede laboratorieudstyr til at teste vinkelafhængigheden af ​​magnetisk dynamik ved hjælp af AC magnetisk susceptibilitet, " forklarer Dr. Eng. Konieczny. "Den specifikke krystal blev fundet i Japan, i laboratoriet hos prof. Takashi Kajiwara fra Nara Women's University. I mellemtiden, vi testede forskellige polymerer, som vi havde til hensigt at anvende i målesystemets konstruktion. Vi brugte plastmaterialer, der afslørede det svageste magnetiske signal og godt tolererede lave temperaturer (2,0 K) til at bygge en fuldt funktionel prototype af enheden. Målingerne bekræftede vores hypotese:magnetisk afslapning afhænger af molekylets orientering, og viser derfor anisotropi. Vi var overraskede over, at dette forhold var så stærkt. Imidlertid, den teoretiske analyse giver os en kvantitativ forklaring på den observerede effekt."

Undersøgelserne blev udført ved anvendelse af et kommercielt SQUID-magnetometer. For at analysere magnetisk dynamik i området 0,1-1000 Hz, det var nødvendigt at bruge den ac magnetiske følsomhedsmetode. Denne teknik er almindeligt anvendt til at studere magnetisk afslapning. Innovationen var brugen af ​​det udviklede setup, som gjorde det muligt at analysere anisotropi af dynamiske magnetiske egenskaber (dvs. magnetisk afslapning). Dette dedikerede system blev bygget i IFJ PAN til de beskrevne undersøgelser. Det tillader krystallen at rotere inde i magnetometeret ved meget lave temperaturer (2 K), høje magnetiske felter (7 T) og i et bredt frekvensområde af det elektromagnetiske felt (fra 0,1 Hz til 1500 Hz). Enheden blev designet og konstrueret til at eliminere det uønskede baggrundssignal. Derfor, det er muligt at studere den magnetiske dynamik af små krystaller.

Det undersøgte materiale - en terbium ion molekylær magnet - blev syntetiseret og strukturelt testet af Prof. Kajiwaras gruppe, mens de fleste teoretiske og eksperimentelle analyser blev udført på IFJ PAN. Undersøgelserne har bekræftet, at magnetiske molekyler viser anisotropi af dynamiske magnetiske egenskaber. I det undersøgte molekyle, som ligner en skibspropel, magnetisk afslapningshastighed er fire gange større, når den drejes 80 grader.

Det beskrevne forskningsarbejde giver forskere mulighed for at lære, hvordan magnetisk afslapning i individuelle molekyler kan ændre sig afhængigt af deres orientering. Denne viden vil blive anvendt til at designe molekylære systemer, der anvendes i spintroniske applikationer og kvantecomputere. Nu er det kendt, at orienteringen af ​​molekyler har en betydelig indvirkning på driften af ​​sådanne systemer. Forskere formåede også at bygge en eksperimentel enhed, der ville tillade mere detaljerede undersøgelser af materialers magnetiske dynamik.

"Vores arbejde hjælper os til bedre at forstå adfærden af ​​individuelle magnetiske molekyler, " siger Dr. Eng. Konieczny. "Nu ved vi, at orienteringen af ​​molekyler spiller en vigtig rolle i molekylær elektronik, for eksempel, en molekylær transistor. Den tilfældige orientering af molekylerne vil forårsage kaotisk drift af elektroniske eller spintroniske systemer. Det identiske arrangement af partiklerne, imidlertid, vil sikre deres smidige interaktion og bedre kontrol."

Resultaterne opnået af forskere fra IFJ PAN er særligt vigtige for ingeniører, der designer og bygger ny generation af elektroniske systemer med magnetiske molekyler. "Vores yderligere forskning vil fortsat fokusere på de dynamiske magnetiske egenskaber af molekylære magneter, " konkluderer Dr. Eng. Konieczny. "Vi mener, at en dybtgående viden om de fænomener, der forekommer i disse materialer, vil bringe os tættere på at skabe en fuldt funktionel molekylær kvantecomputer."