Тұңғыш молекулалық магниттер және олардың қасиеттері
Single-molecule magnet
Молекулярлық магниттер (SMM): тұрақты температурада молекулалық деңгейде магниттік гистерезис көрсететін металл-организмді қосылыстар. Магниттік қасиеттері, құрамы.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Бір молекулалы магнит (SMM) – молекулалық масштабта белгілі бір тоқтау температурасынан төмен суперпарамагниттік қасиеттер көрсететін металл-органиқалық қосылыс. Осы температуралық диапазон ішінде SMM таза молекулалық текті магниттік гистерезис көрсетеді. Қалыпты көлемдік магниттер мен молекулалық негіздегі магниттерден өзгеше, магниттік моменттердің ұжымдық, ұзақ қашықтықтағы магниттік реттелуі қажет емес. Бірінші бір молекулалы магнит, [Mn12O12(OAc)16(H2O)4] ("Mn12" деп аталған) 1991 жылы хабарланды. Бұл марганец оксидінің құрамында орталық Mn(IV)4O4 кубы бар, оны 8 Mn(III) бірлігінен тұратын сақина қоршап тұрады, бұл бірліктер көпірлік оксо лигандтары арқылы байланысқан, және шамамен 4 К температураға дейін баяу магниттік релаксация қасиеттерін көрсетеді.
A single molecule magnet (SMM) is a metal organic compound that has superparamagnetic behavior below a certain blocking temperature at the molecular scale. In this temperature range, an SMM exhibits magnetic hysteresis of purely molecular origin. In contrast to conventional bulk magnets and molecule based magnets, collective long range magnetic ordering of magnetic moments is not necessary. the first single molecule magnet, [Mn12O12(OAc)16(H2O)4] (nicknamed "Mn12") was reported in 1991. This manganese oxide compound features a central Mn(IV)4O4 cube surrounded by a ring of 8 Mn(III) units connected through bridging oxo ligands, and displays slow magnetic relaxation behavior up to temperatures of ca. 4 K.
Бұл сала бойынша жұмыстар негізінен магниттік жадта қолдануға мүмкіндік беру үшін бір молекулалы магниттердің жұмыс температурасын сұйық азот температурасына немесе бөлме температурасына дейін көтеруге бағытталған. Тоқтау температурасын көтерумен қатар, спиннің жылдам қайта бағдарлануын болдырмау үшін жоғары энергиялық бөгеттері бар SMM-дерді жасауға да күш жұмсалуда. Осы зерттеу саласындағы қарқынды даму бір молекулалы магниттердің жұмыс температурасын 70 К-тан жоғары деңгейге көтеруге әкелді.
Efforts in this field primarily focus on raising the operating temperatures of single molecule magnets to liquid nitrogen temperature or room temperature in order to enable applications in magnetic memory. Along with raising the blocking temperature, efforts are being made to develop SMMs with high energy barriers to prevent fast spin reorientation. Recent acceleration in this field of research has resulted in significant enhancements of single molecule magnet operating temperatures to above 70 K.
Магниттік бұғаттау температурасы
Магниттік бұғаттау температурасы, Тв, – бұл белгілі бір зерттеу әдісінің уақыт өлшеміне қарағанда магниттелудің серпілуі баяулайтын температура деп анықталады. Тарихи тұрғыдан алғанда, бір молекулалы магниттер үшін бұғаттау температурасы молекуланың магниттік серпілу уақыты τ 100 секундқа тең болатын температура ретінде белгіленген. Бұл анықтама – жалғыз молекулалы магниттердің қасиеттерін салыстырудың қазіргі стандарты, бірақ басқа жағдайларда технологиялық маңызы жоқ. Әдетте, бір молекулалы магниттің (SMM) бұғаттау температурасын және энергия кедергісін арттыру арасында байланыс болады. SMM-дердің орташа бұғаттау температурасы 4K құрайды. Диметаллоцен тұздары – сұйық азоттан жоғары магниттік гистерезис температурасына қол жеткізген соңғы SMM.
The so called magnetic blocking temperature, TB, is defined as the temperature below which the relaxation of the magnetization becomes slow compared to the time scale of a particular investigation technique. Historically, the blocking temperature for single molecule magnets has been defined as the temperature at which the molecule's magnetic relaxation time, τ, is 100 seconds. This definition is the current standard for comparison of single molecule magnet properties, but otherwise is not technologically significant. There is typically a correlation between increasing an SMM's blocking temperature and energy barrier. The average blocking temperature for SMMs is 4K. Dy metallocenium salts are the most recent SMM to achieve the highest temperature of magnetic hysteresis, greater than that of liquid nitrogen.
Магниттік серпіліс кедергісі
Бір молекулалық магнит оң немесе теріс магниттік моментке ие болуы мүмкін, ал осы екі күй арасындағы энергия тосқаны молекуланың релаксация уақытын үлкен дәрежеде анықтайды. Бұл тосқан молекуланың негізгі күйінің жалпы спиніне және оның магниттік анизотропиясына байланысты. Соңғы шама EPR спектроскопиясы арқылы зерттелуі мүмкін.
A single molecule magnet can have a positive or negative magnetic moment, and the energy barrier between these two states greatly determines the molecule's relaxation time. This barrier depends on the total spin of the molecule's ground state and on its magnetic anisotropy. The latter quantity can be studied with EPR spectroscopy.
Металл кластерлері
Металл кластерлері бір молекулалы магниттерді зерттеудің алғашқы он жылдығының негізін құрады, бұл зерттеу бір молекулалы магниттердің архетипі болған "Mn12" есімді қосылыстан басталды. Бір молекулалы магниттер де темір кластерлеріне негізделген. Таң қалдыратыны, бұл бір молекулалы магнит коллинеар емес магниттік қасиеттерді көрсетеді, онда төрт Fe атомының атомдық спин моменттері екі дерлік перпендикуляр ось бойымен қарама-қарсы бағытталған. Теориялық есептеулер көрсеткендей, әрбір Fe атомында шамамен екі магниттік электрон локалдануы мүмкін, ал қалған атомдар дерлік магниттік емес, спин-орбиталық байланыс потенциалдық энергия бетінде 3 меВ-тан сәл төмен магниттік анизотропия кедергісімен үш жергілікті энергияның ең төмен нүктесі бар.
Metal clusters formed the basis of the first decade plus of single molecule magnet research, beginning with the archetype of single molecule magnets, "Mn12". Single molecule magnets are also based on iron clusters Remarkably, this single molecule magnet exhibits non collinear magnetism, in which the atomic spin moments of the four Fe atoms point in opposite directions along two nearly perpendicular axes. Theoretical computations showed that approximately two magnetic electrons are localized on each Fe atom, with the other atoms being nearly nonmagnetic, and the spin–orbit coupling potential energy surface has three local energy minima with a magnetic anisotropy barrier just below 3 meV.
Қолданбалар
Көптеген жаңа түрлері мен потенциалды қолданыстары бар. Бір молекулалық магниттер наномагниттерге (наноөлшемді магниттік бөлшектер) молекулалық тәсілді білдіреді. Әдеттегідей үлкен, тұрақты спиндік анизотропияға байланысты, бір молекулалық магниттер магниттік жад үшін ең кішкентай практикалық бірлікті жүзеге асыруға мүмкіндік береді және осылайша кванттық компьютер үшін құрылыс блогы болуы мүмкін. Бір молекулалық магнит – бір-бірімен әрекеттесетін көптеген спиндердің жүйесі, олар анық белгіленген төменгі энергия деңгейлерімен сипатталады. Бір молекулалық магниттің жоғары симметриясы сыртқы магниттік өрістерде бақыланатын спиндерді жеңілдетуге мүмкіндік береді. Бір молекулалық магниттер күшті анизотропияны көрсетеді, бұл материалға әртүрлі бағыттарда әртүрлі қасиеттерге ие болуға мүмкіндік береді. Анизотропия тәуелсіз спиндер жиынтығының кванттық есептеулер үшін тиімді болатынын қамтамасыз етеді. Жеке спинге қарағанда тәуелсіз спиндердің көп болуы үлкен кубит құруға және, демек, жадтың үлкен сыйымдылығына мүмкіндік береді. Тәуелсіз спиндердің суперпозициясы мен интерференциясы классикалық есептеу алгоритмдері мен сұраныстарын одан әрі жеңілдетуге мүмкіндік береді. Теориялық тұрғыдан алғанда, кванттық компьютерлер кванттық күйлерді кодтау және декодтау арқылы классикалық компьютерлердің физикалық шектеулерін жеңе алады. Бір молекулалық магниттер Гровер алгоритміне, кванттық іздеу теориясына қолданылды. Кванттық іздеу мәселесі әдетте ретсіз деректер базасынан нақты элементті табуды талап етеді. Классикалық жағдайда элемент N/2 әрекеттен кейін табылады, бірақ кванттық іздеу деректердің суперпозициясын пайдаланып, элементті табу үшін, теориялық тұрғыдан алғанда, бір сұранысқа дейін азайтады. Бұл функция үшін жеке молекулалық магниттер олардың тәуелсіз спиндер кластерінің арқасында идеалды болып саналады. Лёйенбергер және Лосс жүргізген зерттеуде кристалдар Mn12 және Fe8 жеке спин молекулалық магниттерінің моментін күшейту үшін қолданылды. Mn12 және Fe8 екеуі де жад сақтау үшін идеалды болып табылғанымен, оларды қайтару уақыты шамамен 10−10 секундті құрады. SMM-нің тағы бір қолданысы – магниттік-калориялық салқындатқыштар. Машиналық оқыту әдісі, экспериментальдық деректерді пайдалана отырып, үлкен энтропиялық өзгерістерге ие және демек, магниттік салқындатуға қолайлы жаңа SMM-ді болжауға мүмкіндік берді. Тәжірибелік синтез үшін үш гипотетикалық SMM ұсынылды: Cr2Gd2(OAc)5+, Mn2Gd2(OAc)5+, [Fe4Gd6(O3PCH2Ph)6(O2CtBu)14(MeCN)2]. Энтропиялық қасиеттерге ықпал ететін негізгі SMM сипаттамалары – өлшемділік және координациялық лигандтар. Сонымен қатар, бір молекулалық магниттер физиктерге кванттық механиканы зерттеу үшін пайдалы сынақ алаңдарын ұсынды. Магниттеудің макроскопиялық кванттық туннельдеуі алғаш рет Mn12O12-де байқалды, ол гистерезис қисығында тегіс араласқан қадамдармен сипатталады. Fe8 қосылысындағы осы туннельдеу жылдамдығының периодтық жойылуы байқалып, геометриялық фазалармен түсіндірілді.
There are many discovered types and potential uses. Single molecule magnets represent a molecular approach to nanomagnets (nanoscale magnetic particles). Due to the typically large, bi stable spin anisotropy, single molecule magnets promise the realization of perhaps the smallest practical unit for magnetic memory, and thus are possible building blocks for a quantum computer. A single molecule magnet is a system of many interacting spins with clearly defined low lying energy levels. The high symmetry of the single molecule magnet allows for a simplification of the spins that can be controllable in external magnetic fields. Single molecule magnets display strong anisotropy, a property which allows a material to assume a variation of properties in different orientations. Anisotropy ensures that a collection of independent spins would be advantageous for quantum computing applications. A large amount of independent spins compared to a singular spin, permits the creation of a larger qubit and therefore a larger faculty of memory. Superposition and interference of the independent spins also allows for further simplification of classical computation algorithms and queries. Theoretically, quantum computers can overcome the physical limitations presented by classical computers by encoding and decoding quantum states. Single molecule magnets have been utilized for the Grover algorithm, a quantum search theory. The quantum search problem typically requests for a specific element to be retrieved from an unordered database. Classically the element would be retrieved after N/2 attempts, however a quantum search utilizes superpositions of data in order to retrieve the element, theoretically reducing the search to a single query. Single molecular magnets are considered ideal for this function due to their cluster of independent spins. A study conducted by Leuenberger and Loss, specifically utilized crystals to amplify the moment of the single spin molecule magnets Mn12 and Fe8. Mn12 and Fe8 were both found to be ideal for memory storage with a retrieval time of approximately 10−10 seconds. Another application for SMMs is in magnetocaloric refrigerants A machine learning approach using experimental data has been able to predict novel SMMs that would have large entropy changes, and therefore more suitable for magnetic refrigeration. Three hypothetical SMMs are proposed for experimental synthesis:Cr2Gd2(OAc)5+, Mn2Gd2(OAc)5+, [Fe4Gd6(O3PCH2Ph)6(O2CtBu)14(MeCN)2]. The main SMM characteristics that contribute to the entropy properties include dimensionality and the coordinating ligands. In addition, single molecule magnets have provided physicists with useful test beds for the study of quantum mechanics. Macroscopic quantum tunneling of the magnetization was first observed in Mn12O12, characterized by evenly spaced steps in the hysteresis curve. The periodic quenching of this tunneling rate in the compound Fe8 has been observed and explained with geometric phases.