На заседании Президиума РАН, состоявшемся в последний день января, вице-президент Академии Сергей Алдошин уверенно заявил: "Нас уже настигла квантовая революция. Учеными уже созданы два квантовых компьютера для решения важнейших задач. Их создание приблизило научное сообщество к исполнению его давней мечты – изобретению накопителя с неограниченным объемом памяти. Об этом ученые стали задумываться с обнаружением мономолекулярного магнетизма и его необычных свойств". О магнетизме, молекулах и их потрясающих возможностях Сергей Михайлович говорил в своем докладе "Мономолекулярные магниты: современные направления дизайна и перспективы применения".
В своей жизни мы постоянно сталкиваемся с магнитами. Самый большой знакомый нам магнит – наша Земля. По мере того, как развивается человечество, по мере создания новых магнитных приборов, размеры магнитов требуется уменьшать. Сейчас размеры магнитных приборов исчисляются в микронах, и благодаря этому в последние годы магниты стало возможно активно внедрять в нанотехнологии. Соответственно, поменялись и подходы к получению магнитных приборов и магнитных материалов. Если подход к классическим магнитам – «сверху вниз», то теперь при работе с недавно открытыми мономолекулярными магнитами подход сменился на «снизу вверх», на синтез молекулярных магнитов, создание больших магнитных кластеров, а также обращение к квантовому миру и явлениям.
Магнетизм – явление кооперативное. Оно связано с взаимодействием большого количества магнитных центров и определяется доменами в их структуре, и поэтому минимизация изделий из магнита определяется как раз такой доменной структурой, которая в то же время может быть ограничением на пути к созданию магнитных приборов небольшого размера. В конце 90-х годов было обнаружено потрясающее явление – магнетизм характерен не только для большого количества взаимодействующих частиц, кооперативного взаимодействия, но и для некоторых молекул. Причем эти молекулы, как и классические магниты, могут намагничиваться во внешнем магнитном поле. Интересно, что под воздействием температуры блокирования их намагниченность может сохраняться, а при очень низких температурах – как и у обычных магнитов – намагниченность будет постепенно сходить на нет.
Впервые это было показано ученым Новаком на примере большого кластера, состоящего из двенадцати ионов марганца, связанных друг с другом аксиальными группами (соответствующая статья была опубликована в журнале Nature). Само соединение было открыто очень давно, но его потрясающие свойства ученые обнаружили значительно позже. Такой кластер состоит из восьми ионов трехвалентного марганца и четырех ионов четырехвалентного марганца. Эти «марганцы» имеют неспаренные электроны, которые в свою очередь обладают спином. Спин – собственный момент инерции электрона, имеющий квантовую природу и никаким образом не относящийся к вращению. Именно спин и обуславливает появление магнитного момента.
В этом соединении 8 ионов трехвалентного марганца, имеющие четыре неспаренных электрона, обладают спином, равным одной второй, а 4 иона четырехвалентного марганца имеют три неспаренных электрона с таким же спином. Таким образом, полный спин составит два и три вторых. При этом, магнитное взаимодействие в этом комплексе таково, что спины в этих «марганцах» направлены противоположно друг другу. Поэтому образуется частица с гигантским спином, который равен 10 (S=10). Как оказалось, такая частица проявляет совершенно необычные магнитные свойства, характерные не для кооперативных магнитов, а для одной молекулы.
Почему же молекула обладает такими необычными свойствами? Для понимания физики этого явления докладчик предложил обратиться к виду общего спинового гамильтониана. Он состоит из трех основных частей: оператора обменного взаимодействия, стабилизирующего состояние кластера с полным спином S; оператора расщепления в нулевом поле – магнитные уровни без приложенного внешнего поля расщепляются, что по-другому можно назвать локальной анизотропией; а также оператора обычного зеемановского взаимодействия магнитного уровня молекулы с внешним уровнем. Для основного мультиплета, как в случае с S=10, эффективный спиновый гамильтониан определяется двумя параметрами – параметром D, который приводит к аксиальной анизотропии с легкой осью намагниченности и ромбической анизотропии, перпендикулярной той самой легкой оси. Именно эти параметры и определяют необычное поведение этих молекул.
Разные магнитные состояния с разными проекциями спина имеют разную энергию (хотя +спин и -спин всегда ярко выражены). В предложенной для рассмотрения докладчиком молекуле основным состоянием является состояние со спином -10 и +10, а значит существуют только два преимущественных направления магнитного спина – плюсовое и обратное минусовое. Максимальной энергией обладает состояние другой проекции магнитного поля, практически перпендикулярной этой оси.
Это приводит к появлению барьера между двумя выраженными состояниями. Барьеры определяют магнитную бистабильность таких молекул. Если мы приложим поле вдоль легкой оси намагниченности, то мы сможем намагнитить всю систему в одной из таких «ям». И, чтобы не вернуться назад, ей необходимо будет преодолеть возникший барьер. Величина барьера определяется произведением параметра D и величиной общего спина этой молекулы S – чем больше это произведение, тем выше будет барьер.
Молекула может «воспользоваться» двумя механизмами преодоления барьера – релаксациями намагниченности. Первый вариант – спин, начиная взаимодействовать с фотонами, начинает взбираться вверх по диаграмме и стремится к барьеру. Второй вариант релаксации – туннельные состояния. Так как система квантовая, она может из одного состояния в другое перейти и без вынужденного преодоления возникшего барьера. Понятно, что в основном состоянии ширина барьера высокая, а вероятность туннелирования – маленькая. Но, по мере того как система поднимается по энергетическим ступенькам, вероятность туннелирования будет постепенно возрастать, и в какой-то момент будет возможен вариант смешанного механизма релаксации намагниченности.
Такие мономолекулярные системы, сильно отличающиеся от классических магнитных систем, имеют ряд характерных физических принципов. Если измерить магнитную восприимчивость этой системы, то окажется, что часть ее имеет температурную и частотную зависимости. Для каждой частоты есть максимум – он соответствует обратной времени релаксации. Исходя из этого параметра, можно сказать, на какой частоте и за какое время система будет переходить из магнитного состояния в немагнитное.
Вторая особенность – петля гистерезиса при низких температурах изменяет свои значения. Именно это позволяет использовать эти системы для записи информации. Если в классических магнитах это связано с доменной структурой, то в данном случае это определяется свойством одной молекулы, возникающей из замедленной релаксации намагниченности.
Наличие «ступенек» – тоже особенность мономолекулярных систем. Таких ступенек нет в классических магнитных системах, и это объясняется квантовой природой мономолекулярной системы. В них присутствует барьер, параметры +S и -S ярко выражены, возможно возникновение туннелирования.
В чем же перспективы работы с этими системами? Мономолекулярные системы сразу привлекли к себе внимание ученых – они открывают новые перспективы применения магнитов. Наиболее важное направление и наиболее активно развивающееся именно в нашей стране физиками-теоретиками, химическими физиками и другими учеными – построение спиновых транзисторов на основе мономолекулярных магнитов. Сейчас, когда мы можем управлять одним спином одного электрона, очень важно развивать направление молекулярной спинтроники. Еще одним перспективным направлением использования необычных систем является создание с их помощью квантовых компьютеров, где сами молекулы выступят в качестве кубитов.
Еще одно интересное и перспективное направление в работе с мономолекулярными магнитами заключается в «мечте» ученых помещать информацию в молекулах. В одной молекуле можно закодировать 1 бит информации; это уже не классический 1 домен, состоящий из тысяч молекул, как в классических магнитах. Произойти это должно следующим образом: если предположить, что расстояние между ближайшими спинами равно 5-ти нанометрам, и мы имеем диск, размером 100 квадратных сантиметров, то на таком диске можно будет расположить примерно 410 спинов, каждый из которых будет являться видом информации. Опять же – 1 спин = 1 биту = 1 молекуле. В результате можно получить ошеломляющее количество памяти. Но это лишь далекая перспектива; а что в реальности? В реальности приведенная выше мономолекулярная система при температуре 1,5 К имеет период релаксации около трех лет: этого совершенно недостаточно для практического использования. Ученые стремятся создать систему с периодом релаксации не менее 15 лет при комнатных температурах. Использование мономолекулярных систем позволит в скором времени создать магнитную память беспрецедентно высокой плотности записи информации – в 10 тысяч раз выше ныне существующей.
Основной целью ученых, задействованных в разработках в области мономолекулярных магнитов, является увеличение магнитной анизотропии, а вместе с этим и барьера и температуры блокирования. Необходимо более глубокое исследование структуры, орбитального вклада первого порядка, кристаллические поля, спин-орбитальное взаимодействие, анизотропный обмен, координационное число. Пока еще остаются факторы, которые ученые и исследователи объяснить не могут, но при мудром химическом подходе эта цель в скором времени может быть достигнута. Однако на сегодняшний день барьеры для переориентации намагниченности и температуры блокировки все еще остаются низкими для практического применения. Но и это уже не мечта, а реальность: докладчик уверенно сообщил о уже настигнувшей нас квантовой революции, в результате которой был создан первый квантовый компьютер по заказу Пентагона, а под крылом компании Apple уже разрабатывается второй, который планируют использовать не только для расчетных задач, но и для создания криптографических систем. Эти компьютеры пока работают при абсолютно низких температурах, что не позволяет полноправно назвать их революционными и эффективными. Поэтому ученым остается сделать всего один большой шаг на пути к реализации своей мечты – создать систему, способную работать при комнатных температурах.
