Введение
Одномолекулярный магнит (ОММ) – это металлоорганическое соединение, демонстрирующее сверхпарамагнитное поведение ниже определенной температуры блокировки в молекулярном масштабе. В этом температурном диапазоне ОММ проявляет магнитный гистерезис чисто молекулярного происхождения. В отличие от обычных объемных магнитов и магнитов на основе молекул, для этого не требуется коллективное дальнедействующее упорядочение магнитных моментов. Первый одномолекулярный магнит, [Mn12O12(OAc)16(H2O)4] (прозванный "Mn12"), был описан в 1991 году. Это соединение оксида марганца содержит центральный куб Mn(IV)4O4, окруженный кольцом из 8 ионов Mn(III), связанных через мостиковые оксо-лиганды, и демонстрирует медленную магнитную релаксацию при температурах до приблизительно 4 К.
Основные усилия в этой области направлены на повышение рабочих температур ОММ до температуры жидкого азота или комнатной температуры для реализации приложений в магнитной памяти. Помимо повышения температуры блокировки, предпринимаются попытки разработать ОММ с высокими энергетическими барьерами для предотвращения быстрой переориентации спина. Недавний прогресс в этой области исследований привел к значительному увеличению рабочих температур ОММ до значений выше 70 К.
Температура магнитного блокирования
Так называемая температура магнитного блокирования, TB, определяется как температура, ниже которой релаксация намагниченности становится медленной по сравнению с временной шкалой используемой исследовательской методики. Исторически температура блокирования для одномолекулярных магнитов определялась как температура, при которой время магнитной релаксации молекулы, τ, составляет 100 секунд. Это определение в настоящее время является стандартом для сравнения свойств одномолекулярных магнитов, но само по себе не имеет существенного технологического значения. Как правило, существует корреляция между повышением температуры блокирования СММ и высотой энергетического барьера. Средняя температура блокирования для СММ составляет 4K. Соли диметаллоцения – самые последние СММ, достигшие наивысшей температуры магнитного гистерезиса, превышающей температуру жидкого азота.
Барьер магнитной релаксации
Одиночная молекула-магнит может иметь положительный или отрицательный магнитный момент, а энергетический барьер между этими двумя состояниями существенно определяет время релаксации молекулы. Этот барьер зависит от полного спина основного состояния молекулы и её магнитной анизотропии. Последнюю величину можно исследовать с помощью ЭПР-спектроскопии.
Металлические кластеры
Металлические кластеры стали основой исследований одномолекулярных магнитов в течение первых десяти с лишним лет, начиная с архетипа одномолекулярных магнитов "Mn12". Одномолекулярные магниты также основаны на железных кластерах. Примечательно, что этот одномолекулярный магнит демонстрирует неколлинеарный магнетизм, при котором атомные спиновые моменты четырех атомов Fe направлены в противоположные стороны вдоль двух почти перпендикулярных осей. Теоретические расчеты показали, что примерно два магнитных электрона локализованы на каждом атоме Fe, в то время как остальные атомы практически немагнитны, а поверхность потенциальной энергии спин-орбитального взаимодействия имеет три локальных минимума энергии с барьером магнитной анизотропии, немного превышающим 3 меВ.
Приложения
Есть множество открытых типов и потенциальных областей применения. Одномолекулярные магниты (SMM) представляют собой молекулярный подход к наномагнитам (наномасштабным магнитным частицам). Благодаря типично большой бистабильной спиновой анизотропии, одномолекулярные магниты обещают реализацию, возможно, самой маленькой практической единицы для магнитной памяти и, следовательно, являются потенциальными строительными блоками для квантового компьютера. Одномолекулярный магнит – это система множества взаимодействующих спинов с чётко определёнными низколежащими энергетическими уровнями. Высокая симметрия одномолекулярного магнита позволяет упростить спины, которыми можно управлять во внешних магнитных полях. Одномолекулярные магниты демонстрируют сильную анизотропию – свойство, позволяющее материалу проявлять различные характеристики в разных ориентациях. Анизотропия обеспечивает преимущество коллекции независимых спинов для приложений квантовых вычислений. Большое количество независимых спинов по сравнению с единственным спином позволяет создать более крупный кубит и, следовательно, больший объём памяти. Суперпозиция и интерференция независимых спинов также упрощают классические вычислительные алгоритмы и запросы. Теоретически, квантовые компьютеры могут преодолеть физические ограничения классических компьютеров, кодируя и декодируя квантовые состояния. Одномолекулярные магниты использовались для алгоритма Гровера – квантовой теории поиска. Задача квантового поиска обычно заключается в извлечении конкретного элемента из неупорядоченной базы данных. Классически элемент будет найден после N/2 попыток, однако квантовый поиск использует суперпозиции данных для извлечения элемента, теоретически сокращая поиск до одного запроса. Одномолекулярные магниты считаются идеальными для этой задачи благодаря своему скоплению независимых спинов. Исследование, проведённое Leuenberger и Loss, специально использовало кристаллы для усиления магнитного момента одномолекулярных спиновых магнитов Mn12 и Fe8. Было обнаружено, что Mn12 и Fe8 идеально подходят для хранения памяти со временем извлечения около 10−10 секунд. Другая область применения SMM – в магнитокалорических хладагентах. Метод машинного обучения, использующий экспериментальные данные, позволил предсказать новые SMM с большими изменениями энтропии, что делает их более подходящими для магнитного охлаждения. Для экспериментального синтеза предложено три гипотетических SMM: Cr2Gd2(OAc)5+, Mn2Gd2(OAc)5+, [Fe4Gd6(O3PCH2Ph)6(O2CtBu)14(MeCN)2]. Основные характеристики SMM, влияющие на энтропийные свойства, включают размерность и координирующие лиганды. Кроме того, одномолекулярные магниты предоставили физикам полезные платформы для изучения квантовой механики. Макроскопическое квантовое туннелирование намагниченности впервые было обнаружено в Mn12O12, характеризующемся равномерно расположенными ступенями на кривой гистерезиса. Периодическое затухание скорости туннелирования в соединении Fe8 было наблюдено и объяснено геометрическими фазами.