Wetenschappers van IFJ PAN hebben in samenwerking met onderzoekers van de Nara Women's University (Japan) en de Jagiellonian University (Polen) opnieuw een belangrijke stap gezet op weg naar het bouwen van een functionele kwantumcomputer. Met behulp van materiaal dat terbium-ionen bevat en speciale experimentele hulpmiddelen, ze voerden een gedetailleerde analyse uit van dynamische magnetische eigenschappen in individuele moleculaire magneten met betrekking tot hun oriëntatie in een magnetisch veld. De ontdekte sterke anisotropie van deze eigenschappen is van vitaal belang bij de constructie van moleculaire elektronische componenten.

Een van de grootste uitdagingen voor de moderne wetenschap is het bouwen van een betaalbare en zeer efficiënte kwantumcomputer die een revolutie teweeg zal brengen in de IT-industrie. Vandaag, er worden verschillende oplossingen gezocht die zouden kunnen leiden tot de bouw van een dergelijke inrichting. Deze omvatten supergeleidende systemen, quantum dots en fotonen in de resonantieholte. Ook wordt intensief onderzoek gedaan naar het gebruik van moleculaire magneten gemaakt van enkelvoudige moleculen van 1 nm groot (SMM-Single Molecular Magnets). Voor dit doeleinde, echter, wetenschappers moeten niet alleen materialen met de juiste eigenschappen vinden, maar ook het gedrag van magnetische moleculen grondig begrijpen. Een van de belangrijkste onderzoeksrichtingen op dit gebied richt zich op de dynamiek van magnetische eigenschappen. Deze zogenaamde magnetische relaxaties vertellen ons hoe de magnetische eigenschappen van een bepaalde stof in de loop van de tijd veranderen. In de kwantumwereld dergelijke dynamiek is een overvloedig en gecompliceerd fenomeen, daarom onderzoeken onderzoekers zorgvuldig de verschillende aspecten ervan.

Tot dusver, uitgebreide studies hebben de mogelijkheid onthuld om moleculaire magneten te gebruiken om geheugencellen of een spintransistor te maken. Wetenschappers zijn ook in staat om individuele moleculen op een geschikt substraat te plaatsen en ze te gebruiken om eenvoudige elektronische systemen te bouwen. Metingen bevestigen dat magnetische relaxaties een cruciale rol spelen in de werking van moleculaire systemen. Anderzijds, het is bekend dat de dynamiek van magnetische eigenschappen afhangt van de anisotropie van statische magnetische eigenschappen. Echter, in de meeste eerdere onderzoeken, ofwel is de invloed van de oriëntatie van het onderzochte molecuul op zijn dynamische magnetische eigenschappen niet getest, of het is slechts in beperkte mate gedaan.

Overeenkomstig, een team van wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen onder leiding van Dr. Eng. Piotr Konieczny besloot te onderzoeken hoe de dynamische magnetische eigenschappen van individuele moleculaire magneten veranderen afhankelijk van de oriëntatie van de moleculen. Het meeste onderzoek naar magnetische ontspanning heeft betrekking op materialen in de vorm van poeder, d.w.z. chaotisch georiënteerde kristallieten, of polykristallen, wat het onmogelijk maakt om te analyseren hoe deze eigenschappen veranderen met de oriëntatie van het molecuul. De Poolse groep, daarom, besloten om een ​​enkel kristal te bestuderen - een monokristallijn - waarin alle moleculen op dezelfde manier georiënteerd waren. Dit uitgangspunt stelde wetenschappers in staat om te kijken naar de effecten die plaatsvinden in een enkel molecuul. Om dit te doen, het was ook nodig om een ​​geschikt experimenteel systeem te bouwen dat het mogelijk zou maken om magnetische relaxatie te bestuderen, afhankelijk van de oriëntatie van de geteste stof.

"We waren op zoek naar een materiaal dat voldoet aan de verwachte eisen, en wordt in het bijzonder gekenmerkt door sterke magnetische anisotropie en kan worden gesynthetiseerd als hoogwaardig kristal. Tegelijkertijd, we hebben laboratoriumapparatuur ontwikkeld voor het testen van de hoekafhankelijkheid van magnetische dynamica met behulp van ac magnetische susceptibiliteit, " legt Dr. Eng. Konieczny uit. "Het specifieke kristal werd gevonden in Japan, in het laboratorium van Prof. Takashi Kajiwara van de Nara Women's University. Ondertussen, we hebben verschillende polymeren getest die we wilden toepassen in de constructie van het meetsysteem. We hebben plastic materialen gebruikt die het zwakste magnetische signaal onthullen en lage temperaturen (2,0 K) goed verdragen om een ​​volledig functioneel prototype van het apparaat te bouwen. De metingen bevestigden onze hypothese:magnetische relaxatie hangt af van de oriëntatie van het molecuul, en vertoont daarom anisotropie. We waren verrast dat deze relatie zo sterk was. Echter, de theoretische analyse geeft ons een kwantitatieve verklaring van het waargenomen effect."

De onderzoeken werden uitgevoerd met behulp van een commerciële SQUID-magnetometer. Om magnetische dynamiek in het bereik van 0,1-1000 Hz te analyseren, het was noodzakelijk om de ac-magnetische gevoeligheidsmethode te gebruiken. Deze techniek wordt vaak toegepast om magnetische relaxatie te bestuderen. De innovatie was het gebruik van de ontwikkelde opstelling waarmee anisotropie van dynamische magnetische eigenschappen (d.w.z. magnetische relaxatie) kon worden geanalyseerd. Dit speciale systeem is gebouwd in IFJ PAN voor de beschreven onderzoeken. Het laat het kristal in de magnetometer draaien bij zeer lage temperaturen (2 K), hoge magnetische velden (7 T) en in een breed frequentiebereik van het elektromagnetische veld (van 0,1 Hz tot 1500 Hz). Het apparaat is ontworpen en gebouwd om het ongewenste achtergrondsignaal te elimineren. Vandaar, het is mogelijk om de magnetische dynamiek van kleine kristallen te bestuderen.

Het onderzochte materiaal - een moleculaire magneet terbiumionen - werd gesynthetiseerd en structureel getest door de groep van prof. Kajiwara, terwijl de meeste theoretische en experimentele analyses werden uitgevoerd bij IFJ PAN. De studies hebben bevestigd dat magnetische moleculen anisotropie van dynamische magnetische eigenschappen vertonen. In het onderzochte molecuul die eruitziet als een scheepsschroef, magnetische relaxatiesnelheid is vier keer groter wanneer deze 80 graden wordt gedraaid.

Het beschreven onderzoekswerk stelt wetenschappers in staat om te leren hoe magnetische ontspanning in individuele moleculen kan veranderen, afhankelijk van hun oriëntatie. Deze kennis zal worden toegepast voor het ontwerpen van moleculaire systemen die worden gebruikt in spintronische toepassingen en kwantumcomputers. Nu is bekend dat de oriëntatie van moleculen een significante invloed heeft op de werking van dergelijke systemen. Wetenschappers slaagden er ook in een experimenteel apparaat te bouwen dat meer gedetailleerde studies van de magnetische dynamiek van materialen mogelijk zou maken.

"Ons werk helpt ons om het gedrag van individuele magnetische moleculen beter te begrijpen, " zegt Dr. Eng. Konieczny. "Nu weten we dat de oriëntatie van moleculen een belangrijke rol speelt in moleculaire elektronica, bijvoorbeeld, een moleculaire transistor. De willekeurige oriëntatie van de moleculen zal leiden tot een chaotische werking van elektronische of spintronische systemen. De identieke rangschikking van de deeltjes, echter, zullen zorgen voor een soepele interactie en een betere controle."

De resultaten die door wetenschappers van IFJ PAN zijn verkregen, zijn met name belangrijk voor ingenieurs die elektronische systemen van de nieuwe generatie met magnetische moleculen ontwerpen en bouwen. "Ons verdere onderzoek zal zich blijven richten op de dynamische magnetische eigenschappen van moleculaire magneten, " concludeert Dr. Eng. Konieczny. "Wij geloven dat een grondige kennis van de verschijnselen die zich in deze materialen voordoen, ons dichter bij het creëren van een volledig functionele moleculaire kwantumcomputer zal brengen."