Максимальный спин молекулы подняли до 60

Химики синтезировали магнитную молекулу с рекордно высоким значением спина — 60. Это циклический кластер, содержащий 10 ионов железа и 10 ионов гадолиния. Свои магнитные свойства она проявляет при температуре около 3 кельвинов, пишут ученые в NPJ Quantum Materials.

Молекулярные магниты — один из классов материалов, которые предлагают использовать при создании наноустройств для записи и хранения информации. Пока такие молекулы работают лишь при очень низких температурах, поэтому чтобы эти соединения действительно можно было использовать в реальных устройствах, необходимо увеличивать температуру, при которой они все еще обладают магнитными свойствами. Другая интересная задача, связанная с магнитными молекулами — получение соединений, в которых основное энергетическое состояние обладает как можно большим спином. Как правило, молекулы с максимальным спином представляют из себя циклические кластеры, внутри которых с помощью органических лигандов удерживаются парамагнитные ионы 4f- и 3d-металлов.

Для отдельного иона максимальный спин составляет 7/2, но если ионы соединить в молекулярный кластер и согласовать их спины таким образом, чтобы они не компенсировали друг друга, а выстраивались в одну сторону, то максимальный спин одной молекулы можно значительно превосходить спин одного иона. До настоящего дня рекорд принадлежал комплексу, содержащему 19 ионов марганца смешанной степени окисления: Mn(II) и Mn(III). В основном энергетическом состоянии спин такого кластера составляет 83/2.

Группа химиков из Саудовской Аравии, Германии и Италии под руководством Юргена Шнака (Jürgen Schnack) из Билефельдского университета и Энни Пауэлл (Annie Powell) из Хаильского университета синтезировали молекулярный кластер, у которого спин в основном состоянии еще больше и составляет 60 (это в 120 раз больше спина отдельного электрона). Нужной магнитной молекулой оказался комплекс, содержащий ионы железа и гадолиния с формулой [Fe₁₀Gd₁₀(Me-tea)₁₀(Me-teaH)₁₀(NO₃)₁₀]·20MeCN, где Me-tea — органический лиганд со структурой третичного амина общего состава (C₇H₁₄O₃N)^3-.

Молекула имеет циклическую структуру в форме эллипса (с большим диаметром 28,4 ангстрема и малым диаметром 26,3 ангстрема). Ионы железа и гадолиния в молекуле связаны друг с другом через атомы кислорода, при этом ионы железа-III в молекуле имеют спин 5/2, а иона гадолиния-III — соответственно, 7/2.

Добиться того, чтобы спины всех ионов были согласованы и ориентированы в нужном направлении, удается за счет системы обменных взаимодействий в молекуле, которые наблюдаются в парах Fe-Fe и Fe-Gd. Для двух этих пар обменная энергия отличается по модулю, а для пары ионов Gd-Gd — равна нулю. При комнатной температуре ионы между собой не взаимодействуют, и магнитные свойства наблюдаются только при температурах около 3 кельвинов, когда молекула переходит в нужное квантовое состояние.

Ученые при этом отмечают, что квантовое состояние, при котором достигается необходимый магнитный момент, — очень неустойчивое, поэтому практически любое незначительное воздействие (повышение температуры или увеличение давления) может привести к переходу в несвязанное состояние.

Основная сложность при использовании молекулярных магнитов в реальных устройствах состоит именно в том, что работают они только при очень низких температурах. Однако благодаря активным исследованиям в данной области максимальную температуру их работы удается постоянно увеличивать, и сейчас ее уже практически довели до температуры жидкого азота.

Александр Дубов