Forskare från IFJ PAN i samarbete med forskare från Nara Women's University (Japan) och Jagiellonian University (Polen) tog ytterligare ett viktigt steg mot att bygga en funktionell kvantdator. Med hjälp av material som innehåller terbiumjoner och dedikerade experimentella verktyg, de utförde en detaljerad analys av dynamiska magnetiska egenskaper i enskilda molekylära magneter angående deras orientering i ett magnetfält. Upptäckt stark anisotropi av dessa egenskaper är avgörande för konstruktionen av molekylära elektronikkomponenter.

En av de största utmaningarna för modern vetenskap är att bygga en prisvärd och mycket effektiv kvantdator som kommer att revolutionera IT -industrin. I dag, olika lösningar söks som kan leda till konstruktionen av en sådan anordning. Dessa inkluderar supraledande system, kvantprickar och fotoner i resonanskaviteten. Intensiv forskning utförs också om användningen av molekylära magneter gjorda av enstaka molekyler på 1 nm i storlek (SMM - Single Molecular Magnets). För det här syftet, dock, forskare behöver inte bara hitta material med rätt egenskaper utan också grundligt förstå magnetmolekylernas beteende. En av de viktigaste forskningsriktningarna inom detta område fokuserar på dynamiken i magnetiska egenskaper. Dessa så kallade magnetiska avslappningar berättar hur magnetiska egenskaper hos en given substans förändras över tid. I kvantvärlden, sådan dynamik är ett rikligt och komplicerat fenomen, varför forskare noggrant undersöker dess olika aspekter.

Än så länge, omfattande studier har avslöjat möjligheten att använda molekylära magneter för att skapa minnesceller eller en spinntransistor. Forskare kan också placera enskilda molekyler på ett lämpligt underlag och använda dem för att bygga enkla elektroniska system. Mätningar bekräftar att magnetiska avslappningar spelar en viktig roll i driften av molekylära system. Å andra sidan, det är känt att dynamiken i magnetiska egenskaper beror på anisotropin hos statiska magnetiska egenskaper. Dock, i de flesta tidigare studier, antingen påverkan av den undersökta molekylens orientering på dess dynamiska magnetiska egenskaper har inte testats, eller det har gjorts endast i begränsad omfattning.

Följaktligen, ett team av forskare från Institute of Nuclear Physics vid polska vetenskapsakademien under ledning av Dr. Eng. Piotr Konieczny bestämde sig för att undersöka hur de dynamiska magnetiska egenskaperna hos enskilda molekylära magneter förändras beroende på molekylernas orientering. Det mesta av forskningsarbetet kring magnetisk avslappning handlar om material i form av pulver, dvs kaotiskt orienterade kristalliter, eller polykristaller, vilket gör det omöjligt att analysera hur dessa egenskaper förändras med molekylorienteringen. Den polska gruppen, därför, bestämde sig för att studera en enda kristall - en monokristallin - där alla molekyler var orienterade på samma sätt. Denna utgångspunkt gjorde det möjligt för forskare att titta på effekterna som sker i en enda molekyl. Att göra detta, det var också nödvändigt att bygga ett lämpligt experimentellt system som skulle möjliggöra att studera magnetisk avslappning beroende på orienteringen av det testade ämnet.

"Vi letade efter ett material som uppfyller de förväntade kraven, och i synnerhet kännetecknas av stark magnetisk anisotropi och kan syntetiseras som kristall av hög kvalitet. På samma gång, vi utvecklade laboratorieutrustning för att testa vinkelberoendet för magnetisk dynamik med hjälp av växelströms magnetisk känslighet, "förklarar Dr. Eng. Konieczny." Den specifika kristallen hittades i Japan, i laboratoriet för prof. Takashi Kajiwara från Nara Women's University. Sålänge, vi testade olika polymerer som vi tänkte använda i mätsystemkonstruktionen. Vi använde plastmaterial som avslöjade den svagaste magnetiska signalen och tolererade väl låga temperaturer (2,0 K) för att bygga en fullt fungerande prototyp av enheten. Mätningarna bekräftade vår hypotes:magnetisk avslappning beror på molekylens orientering, och visar därför anisotropi. Vi blev förvånade över att detta förhållande var så starkt. Dock, den teoretiska analysen ger oss en kvantitativ förklaring av den observerade effekten. "

Studierna utfördes med användning av en kommersiell SQUID -magnetometer. För att analysera magnetisk dynamik i intervallet 0,1-1000 Hz, det var nödvändigt att använda metoden för magnetisk magnetisk känslighet. Denna teknik används vanligtvis för att studera magnetisk avslappning. Innovationen var användningen av den utvecklade inställningen som gjorde det möjligt att analysera anisotropi av dynamiska magnetiska egenskaper (dvs. magnetisk avslappning). Detta dedikerade system byggdes i IFJ PAN för de beskrivna undersökningarna. Det gör att kristallen kan rotera inuti magnetometern vid mycket låga temperaturer (2 K), höga magnetfält (7 T) och i ett brett frekvensområde för det elektromagnetiska fältet (från 0,1 Hz till 1500 Hz). Enheten designades och konstruerades för att eliminera den oönskade bakgrundssignalen. Därav, det är möjligt att studera den magnetiska dynamiken hos små kristaller.

Det undersökta materialet - en terbiumjonmolekylmagnet - syntetiserades och testades strukturellt av prof. Kajiwaras grupp, medan de flesta teoretiska och experimentella analyser utfördes vid IFJ PAN. Studierna har bekräftat att magnetiska molekyler visar anisotropi av dynamiska magnetiska egenskaper. I den undersökta molekylen, som ser ut som ett skepps propeller, magnetisk avslappningshastighet är fyra gånger större när den roteras 80 grader.

Det beskrivna forskningsarbetet gör det möjligt för forskare att lära sig hur magnetisk avslappning i enskilda molekyler kan förändras beroende på deras orientering. Denna kunskap kommer att tillämpas för att utforma molekylära system som används i spintronic -applikationer och kvantdatorer. Nu är det känt att molekylernas orientering har en betydande inverkan på driften av sådana system. Forskare lyckades också bygga en experimentell enhet som skulle möjliggöra mer detaljerade studier av materialens magnetiska dynamik.

"Vårt arbete hjälper oss att bättre förstå beteendet hos enskilda magnetiska molekyler, "säger Dr Eng. Konieczny." Nu vet vi att molekylernas orientering spelar en viktig roll inom molekylär elektronik, till exempel, en molekylär transistor. Molekylernas slumpmässiga orientering kommer att orsaka kaotisk drift av elektroniska eller spintroniska system. Partiklarnas identiska arrangemang, dock, kommer att säkerställa deras smidiga interaktion och bättre kontroll. "

Resultaten från forskare från IFJ PAN är särskilt viktiga för ingenjörer som designar och bygger ny generation elektroniska system med magnetiska molekyler. "Vår vidare forskning kommer att fortsätta att fokusera på de dynamiska magnetiska egenskaperna hos molekylära magneter, "avslutar Dr Eng. Konieczny." Vi tror att en djup kunskap om de fenomen som förekommer i dessa material kommer att föra oss närmare att skapa en fullt fungerande molekylär kvantdator. "