Химики из Манчестерского университета и Австралийского национального университета создали два молекулярных магнита на основе диспрозия, способных сохранять магнитное состояние в течение 100 секунд при температурах до 40 К. Новые соединения также сохраняют магнитный гистерезис до 91 и 92 К, а потенциальным элементом хранения информации в такой системе служит отдельная молекула.
Одно-молекулярные магниты, или SMM, отличаются от обычного магнитного материала тем, что каждая молекула способна самостоятельно сохранять направление магнитного момента. Два устойчивых направления можно рассматривать как состояния будущего бита, поэтому уменьшение магнитного элемента до отдельной молекулы открывает путь к чрезвычайно высокой плотности записи. Авторы пока не создавали полноценный накопитель, речь идёт о свойствах самого магнитного материала.
Главным ограничением остаётся температура. Один из важных показателей для SMM измеряет время, за которое намагниченность самопроизвольно меняется из-за тепловых и квантовых процессов. Новые соединения удерживали магнитную информацию 100 секунд при температуре до 40 К. Поэтому значение 92 К нельзя воспринимать как температуру, при которой готовая память способна надёжно хранить данные длительное время.
Показатель 92 К относится к магнитному гистерезису. При изменении внешнего магнитного поля намагниченность молекулы зависит от предыдущего состояния и образует характерную петлю гистерезиса. Сохранение такой петли при повышении температуры показывает наличие магнитной памяти, однако не определяет само по себе срок хранения бита.
Новая работа объединяет две конструкции, которые раньше давали сильные результаты по разным параметрам. В предыдущей работе близкий почти линейный комплекс диспрозия демонстрировал гистерезис до 100 К , однако при более низких температурах его намагниченность сравнительно быстро релаксировала. Другой циклопентадиенильный амидный магнит сохранял гистерезис до 73 К . Химики попытались совместить сильные стороны двух подходов в одной молекулярной архитектуре.
В центре новых соединений находится атом диспрозия. С одной стороны его окружает циклопентадиенильный лиганд, который делает структуру более жёсткой, с другой расположен амидный лиганд, образующий короткую связь диспрозий-азот. В результате химикам удалось приблизить молекулу к линейной форме, угол между основными направлениями связей достигает примерно 172°.
Такая геометрия оказалась важна для устойчивости магнитного состояния. Расчёты ab initio для одного из соединений показали, что скорость магнитной релаксации определяет сочетание коротких связей диспрозия с лигандами, почти линейного расположения атомов и ограниченных колебаний молекулы. Более жёсткая и вытянутая структура уменьшает число путей, по которым магнитный момент может потерять первоначальное направление без преодоления полной энергетической преграды.
Абсолютного температурного рекорда новая работа не устанавливает, поскольку гистерезис до 100 К исследователи получили ещё в предыдущем диспрозиевом комплексе. Достижение заключается в другом: химикам удалось получить молекулярные магниты с высокими показателями сразу по нескольким характеристикам и заметно улучшить удержание магнитного состояния по сравнению с прежними амидными системами.