化学者は最初の高温単分子磁石を合成します

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Anonim
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新しい分子磁石の構造は、その特性が現れる温度の記録保持者です。

リチャード・レイフィールド(サセックス大学、英国)の指導の下にある化学者は、液体窒素の温度で機能することができるジスプロシウムベースの分子磁石を初めて入手しました。このような化合物は、古典的な強磁性体(鉄またはマグネタイト)とは対照的に、単一の原子の磁化を保持できます。将来的には、このような素材をもとに、1平方センチメートルあたり数十テラビットに達する記録密度の超高密度記憶媒体を作ることが可能になるでしょう。このような磁石が動作できる温度を上げることは、将来のアプリケーションにとっても、単分子磁性のメカニズムを理解するためにも重要なステップです。研究はジャーナルScienceに掲載されています。

磁気媒体での情報ストレージの限界密度は、1ビットを記録するために1つの原子だけが必要な場合に達成できます。これは単分子磁石と呼ばれる材料で可能です-これらの化合物は、1つの個々の原子の磁気モーメント(大まかに言えば、磁石のN極とS極の位置)を一定に維持することができ、それによって磁化の方向に情報をエンコードします原子。

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新しい単分子磁石の磁気モーメントの方向(左)。状態の漸進的な変化による磁化の喪失のメカニズム(右)

マグネタイト、酸化鉄などの古典的な磁性材料では、2つの要因が磁化の維持に関与しています。 1つ目は、隣接する原子の磁気モーメントの相互作用です。彼のおかげで、空間の小さな領域のすべての磁気モーメントは一方向に向けられようとします。 2つ目は、いわゆる結晶磁気異方性です。それは、結晶面に対する磁気モーメントのいくつかの方向を「便利」にし、他の方向は「不便」で、エネルギー的に不利になります。これらの2つの量子現象の組み合わせにより、冷蔵庫の磁石が鉄に引き付けられ、その位置を長時間保持することができます。

単分子磁石では、各磁性原子は隣接する分子(または結晶セル)の磁性原子から独立しています。したがって、それらの磁気特性を決定する唯一の寄与は、結晶磁気異方性(またはより正確には、結晶場による分割)です。原則として、この係数は単一の磁性原子またはいくつかの原子のクラスターの磁化をかなり弱く保持します。したがって、液体窒素温度(77ケルビンまたは-196℃)でも、熱変動によって分子の磁化が簡単に変化します(たとえば、北極と南極を交換します)。したがって、既知の分子磁石のほとんどは、10ケルビンを超えない温度でのみ動作することができます。これは、単分子磁石の可能な将来の用途を厳しく制限します。

磁化の保持が観察された最高温度の以前の記録保持者は、ジスプロシウムカチオンの周りにかさばる置換基を持つ2つの有機分子が存在するジスプロシウム錯体でした。化合物に効果が現れる最高温度は60ケルビンでした。

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ジスプロソセンに基づく新しい単分子磁石の磁気ヒステリシス。

レイフィールドのグループは、ジスプロソセン分子を修飾し、さらにかさばる置換基を追加することで結果を改善し、83ケルビン(摂氏-190度)の温度まで効果を発揮しました。従来の磁石の場合と同様に、磁化の保持はヒステリシスループの形で分子磁石に現れます。磁性体は磁場の中に置かれ、最初に増加し、それによってその分子に情報(1ビット)が書き込まれ、次にこの磁場はゼロに減少し始めます。この場合、分子磁石の磁化はしばらくの間残ります-これは結晶場による分裂の影響の結果です。つまり、外部フィールドがない場合は、少しの情報が格納されます。その後、フィールドは再び成長し始めますが、最初のフィールドとは反対の方向になります。分子磁石の磁化は、しばらくの間外部磁場に抵抗し、その後、反対に変化します。磁化の形で書かれたビットはその値を変えます(分子磁石の仮想の北極と南極が逆になります)。

単分子磁石は磁化を無期限に保存できないことに注意することが重要です。これは、もう1つの重要な材料パラメータです。たとえば、以前の記録保持者の1つである酸化マグネシウムの表面にあるホルミウム原子は、10ケルビンの温度で約30分間その磁化を維持することができました。新しいジスプロソセンの場合、このパラメーターは15ケルビンでも8.5時間に達します。液体窒素の沸点で、複合体は約50秒間磁化を維持することができます。

著者らは、分子の形状の変化によるかさばる置換基の数の増加後のジスプロソセンの特性の改善について説明しています。理論は、ジプロシウム原子と周囲の2つの有機分子との間の角度が180度に達したときに、最大の結晶磁気異方性を達成できると予測しています。この場合、金属の半径がかなり大きいため、キャップ分子がこの位置から外れていることになります。化学者は、キャップ分子の最適なサイズを選択しました。このサイズでは、180度に近い角度と、ジスプロシウムと有機分子の間の距離がかなり短くなります。それにもかかわらず、著者が指摘しているように、さらなる最適化は、ジスプロソセンベースの単分子磁石の特性をさらに改善するでしょう。

ある意味で、液体窒素温度でその特性を発揮できる単分子磁石の合成は、77ケルビンを超える超伝導転移温度を持つイットリウムと銅銅バリウムに基づく最初の超伝導体の合成と比較することができます。

以前、デルフト工科大学の物理学者は、ビットが空間内の個々の原子の位置によってエンコードされている情報を記録するためのデバイスを実証しました。

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