Хіміки під керівництвом Річарда Лейфілда (Університет Сассекса, Великобританія) вперше отримали молекулярний магніт на основі диспрозію, здатний функціонувати при температурі рідкого азоту. Такі сполуки можуть зберігати спробу одного єдиного атома, на відміну від класичних ферромагнетиків (заліза або магнетита). У майбутньому на базі подібних матеріалів стане можливим створення надщільних носіїв інформації, щільність запису в яких може досягати десятків терабіт на квадратний сантиметр. Підвищення температури, при якій подібні магніти можуть працювати - важливий крок як для майбутніх застосувань, так і для розуміння механізмів мономолекулярного магнетизму. Дослідження опубліковано в журналі.
Гранична щільність зберігання інформації в магнітних носіях може бути досягнута в тому випадку, коли для запису одного біта буде потрібно всього лише один атом. Подібне можливо в матеріалах, які називаються мономолекулярними магнітами - ці сполуки здатні підтримувати магнітний момент (грубо кажучи, розташування північного і південного полюса магніту) одного окремого атома постійним, тим самим кодуючи інформацію в напрямку намагніченості атома.
У класичних магнітних матеріалах, скажімо, в магнетиті, оксиді заліза, за збереження намагніченості відповідають два фактори. Перший - взаємодія магнітних моментів сусідніх атомів. Завдяки йому всі магнітні моменти в невеликій області простору намагаються бути спрямовані в один бік. Другий - так звана магнітокристалічна анізотропія. Вона робить одні напрямки магнітних моментів щодо граней кристала «зручними», а інші - «незручними», невигідними по енергії. Сукупність двох цих квантових явищ дозволяє магніту на холодильнику притягуватися до заліза і утримувати своє становище довгий час.
У мономолекулярних магнітах кожен магнітний атом незалежний від магнітних атомів сусідніх молекул (або кристалічних осередків), тому єдиний внесок, що визначає їх магнітні властивості - магнітокристалічна анізотропія (або, більш точно, - розщеплення кристалічним полем). Як правило, цей фактор досить слабо утримує намагніченість одиночних магнітних атомів або навіть кластерів з декількох атомів, тому навіть при температурі рідкого азоту (77 кельвін або -196 градусів Цельсія) теплові флуктуації легко змінюють намагніченість молекули (наприклад, міняючи місцями північний і південний полюс). Тому більшість відомих молекулярних магнітів здатні працювати лише при температурах, що не перевищують 10 кельвін. Це сильно обмежує можливі майбутні застосування мономолекулярних магнітів.
Попереднім рекордсменом за максимальною температурою, при якій спостерігалося збереження намагніченості був комплекс диспрозоцену, в якому навколо катіону диспрозію знаходяться дві органічних молекули з об'ємними заступниками. Максимальна температура прояву ефекту в з'єднанні склала 60 кельвін.
Модифікувавши молекулу диспрозоцену і додавши до неї ще більше об'ємних заступників, група Лейфілда поліпшила свій результат, домігшись прояву ефекту аж до температури в 83 кельвіна (-190 градусів Цельсія). Як і у випадку звичайних магнітів, збереження намагніченості проявляється у молекулярних магнітів у вигляді петлі гістерезису. Магнітний матеріал поміщають у магнітне поле, яке спочатку збільшується, тим самим записуючи інформацію (один біт) в його молекули, а потім це магнітне поле починають зменшувати до нуля. При цьому намагніченість молекулярного магніту зберігається ще якийсь час - це і є наслідок ефекту розщеплення кристалічним полем. Іншими словами біт інформації зберігається у відсутності зовнішнього поля. Потім поле знову починає наростати, але вже в протилежному напрямку до початкового. Намагніченість молекулярного магніту якийсь час опирається зовнішньому полю, і лише потім змінюється на протилежну. Записаний у вигляді намагніченості біт змінює своє значення (уявні північний і південний полюс молекулярного магніту міняються місцями).
Важливо відзначити, що мономолекулярні магніти не можуть зберігати намагніченість нескінченно довго. Це ще один важливий параметр матеріалу. Наприклад, один з попередніх рекордсменів, атом гольмія лежить на поверхні оксиду магнію, був здатний зберігати свою намагніченість протягом приблизно півгодини при температурі 10 кельвін. Для нового диспрозоцену цей параметр навіть при 15 кельвінах досягає 8,5 годин. При температурі кипіння рідкого азоту комплекс здатний підтримувати намагніченість близько 50 секунд.
Автори пояснюють поліпшення властивостей диспрозоцену після збільшення кількості об'ємних заступників зміною геометрії молекули. Теорія передбачає, що найбільшої магнітокристалічної анізотропії можна досягти, коли кут між атомом дипрозія і двома навколишніми його органічними молекулами досягне 180 градусів. При цьому досить великий радіус металу призводить до того, що молекули-шапки відхиляються від цього положення. Хіміки підібрали оптимальний розмір молекул-шапок, при якому ті забезпечують близький до 180 градусів кут і досить коротку відстань між диспрозією і органічною молекулою. Тим не менш, як відзначають автори, подальша оптимізація дозволить ще далі покращувати властивості мономолекулярних магнітів на основі диспрозоцену.
У певному сенсі синтез мономолекулярного магніту, здатного проявляти свої властивості при температурі рідкого азоту можна порівняти з синтезом першого надпровідника на основі купрату іттрію і барію з температурою переходу в надпровідні стан вище 77 кельвін.
Раніше фізики університету Делфта продемонстрували пристрій для запису інформації, в якому біти кодуються положенням окремих атомів у просторі.