Химики под руководством Ричарда Лэйфилда (Университет Сассекса, Великобритания) впервые получили молекулярный магнит на основе диспрозия, способный функционировать при температуре жидкого азота. Такие соединения могут сохранять намагниченность одного единственного атома, в отличие от классических ферромагнетиков (железа или магнетита).

В будущем на базе подобных материалов станет возможным создание сверхплотных носителей информации, плотность записи в которых может достигать десятков терабит на квадратный сантиметр. Повышение температуры, при которой подобные магниты могут работать — важный шаг как для будущих применений, так и для понимания механизмов мономолекулярного магнетизма. Исследование опубликовано в журнале Science.

Предельная плотность хранения информации в магнитных носителях может быть достигнута в том случае, когда для записи одного бита будет требоваться всего лишь один атом. Подобное возможно в материалах, которые называются мономолекулярными магнитами — эти соединения способны поддерживать магнитный момент (грубо говоря, расположения северного и южного полюса магнита) одного отдельного атома постоянным, тем самым кодируя информацию в направлении намагниченности атома.

Направление магнитного момента нового мономолекулярного магнита (слева). Механизм потери намагниченности постепенным изменением состояния (справа)/AAAS / Science

В классических магнитных материалах, скажем, в магнетите, оксиде железа, за сохранение намагниченности отвечают два фактора. Первый — взаимодействие магнитных моментов соседних атомов. Благодаря ему все магнитные моменты в небольшой области пространства пытаются быть направлены в одну сторону. Второй — так называемая магнитокристаллическая анизотропия. Она делает одни направления магнитных моментов относительно граней кристалла «удобными», а другие — «неудобными», невыгодными по энергии. Совокупность двух этих квантовых явлений позволяет магниту на холодильнике притягиваться к железу и удерживать свое положение долгое время.

В мономолекулярных магнитах каждый магнитный атом независим от магнитных атомов соседних молекул (или кристаллических ячеек), поэтому единственный вклад, определяющий их магнитные свойства — магнитокристаллическая анизотропия (или, более точно, — расщепление кристаллическим полем). Как правило, этот фактор довольно слабо удерживает намагниченность одиночных магнитных атомов или даже кластеров из нескольких атомов, поэтому даже при температуре жидкого азота (77 кельвин или –196 градусов Цельсия) тепловые флуктуации легко изменяют намагниченность молекулы (к примеру, меняя местами северный и южный полюс). Поэтому большинство известных молекулярных магнитов способны работать лишь при температурах не превышающих 10 кельвин. Это сильно ограничивает возможные будущие применения мономолекулярных магнитов.

Предыдущим рекордсменом по максимальной температуре, при которой наблюдалось сохранение намагниченности являлся комплекс диспрозоцена, в котором вокруг катиона диспрозия находятся две органических молекулы с объемными заместителями. Максимальная температура проявления эффекта в соединении составила 60 кельвин.

Магнитный гистерезис нового мономолекулярного магнита на основе диспрозоцена. /AAAS / Science

Модифицировав молекулу диспрозоцена и добавив к ней еще больше объемных заместителей, группа Лэйфилда улучшила свой результат, добившись проявления эффекта вплоть до температуры в 83 кельвина (-190 градусов Цельсия). Как и в случае обычных магнитов, сохранение намагниченности проявляется у молекулярных магнитов в виде петли гистерезиса. Магнитный материал помещают в магнитное поле, которое сначала увеличивается, тем самым записывая информацию (один бит) в его молекулы, а затем это магнитное поле начинают уменьшать до нуля. При этом намагниченность молекулярного магнита сохраняется еще какое-то время — это и есть следствие эффекта расщепления кристаллическим полем. Иными словами бит информации хранится в отсутствии внешнего поля. Затем поле снова начинает нарастать, но уже в противоположном направлении к изначальному. Намагниченность молекулярного магнита какое-то время сопротивляется внешнему полю, и лишь потом меняется на противоположную. Записанный в виде намагниченности бит меняет свое значение (воображаемые северный и южный полюс молекулярного магнита меняются местами).

Важно отметить, что мономолекулярные магниты не могут хранить намагниченность бесконечно долго. Это еще один важный параметр материала. К примеру, один из предыдущих рекордсменов, атом гольмия лежащий на поверхности оксида магния, был способен сохранять свою намагниченность на протяжении примерно получаса при температуре 10 кельвин. Для нового диспрозоцена этот параметр даже при 15 кельвинах достигает 8,5 часов. При температуре кипения жидкого азота комплекс способен поддерживать намагниченность около 50 секунд.

Авторы объясняют улучшение свойств диспрозоцена после увеличения количества объемных заместителей изменением геометрии молекулы. Теория предсказывает, что наибольшей магнитокристаллической анизотропии можно добиться, когда угол между атомом дипрозия и двумя окружающими его органическими молекулами достигнет 180 градусов. При этом довольно большой радиус металла приводит к тому, что молекулы-шапки отклоняются от этого положения. Химики подобрали оптимальный размер молекул-шапок, при котором те обеспечивают близкий к 180 градусам угол и довольно короткое расстояние между диспрозием и органической молекулой. Тем не менее, как отмечают авторы, дальнейшая оптимизация позволит еще дальше улучшать свойства мономолекулярных магнитов на основе диспрозоцена. В некотором смысле синтез мономолекулярного магнита, способного проявлять свои свойства при температуре жидкого азота можно сравнить с синтезом первого сверхпроводника на основе купрата иттрия и бария с температурой перехода в сверхпроводящие состояние выше 77 кельвин.

Автор: Владимир Королев