Физики создали магнитометр размером в одну молекулу

Gregory Czap et al. / Science, 2019

Физики из США и Китая изучили магнитные взаимодействия молекулы никелоцена, которая находилась на поверхности серебра Ag(100), с такой же молекулой на конце иглы сканирующего туннельного микроскопа. Авторам работы удалось обнаружить величины взаимодействия в различных направлениях и положения, в которых квантовые состояния двух молекул становились смешанными. Данные статьи, опубликованной в Science, будут полезны для дальнейших разработок в сфере магнитных запоминающих устройств, спинтроники, квантовой информатики.

Информация на вращающихся жестких дисках хранится в виде намагниченных областей, которые вызывают протекание электрического тока, когда через них проходит магнитный датчик, считывающий данные. Чем меньше такие области, тем больше емкость запоминающего устройства при тех же размерах. Однако в таком случае и датчик должен быть соразмерным намагниченным элементам. 

Грегори Чап (Gregory Czap) с коллегами из Калифорнийского университета в Ирвайне создали из сканирующего туннельного микроскопа магнитометр, способный считывать информацию о магнитном состоянии отдельной молекулы. С помощью метода спектроскопии неупругого электронного туннелирования авторы регистрировали зависимость значений возбуждения изменения направления спина от расстояния между молекулами никелоцена (Ni(C₅H₅)₂) на конце зонда и на поверхности. Авторы провели эксперименты на высоковакуумном сканирующем туннельном микроскопе при температуре 600 милликельвин и величинах индукции магнитного поля от нуля до девяти тесла.

По полученным данным исследователи изучили силу магнитных взаимодействий между молекулой никелоцена на конце зонда и на серебряной поверхности на разных расстояниях и положениях молекулы. Когда игла находилась ровно над центром молекулы на поверхности серебра, ученые наблюдали максимальное значение обменной энергии, которая уменьшалась несимметрично по мере увеличения угла наклона молекулы на конце зонда и экспоненциально по мере увеличения расстояния от иглы до поверхности.

Связанную систему из двух молекул никелоцена авторы работы описали с помощью Гамильтониана, который включает в себя суммы Зеемановских энергий каждого спина при наложении внешнего поля, энергий магнитной анизотропии обеих молекул и обменной энергии. Полученные экспериментальные данные отлично совпали с теоретическими расчетами по теории функционала плотности

Авторы работы предполагают, что возможность измерять и контролировать спиновые взаимодействия на уровне нескольких ангстрем откроет дорогу развитию новых зондовых магнитных датчиков. 

В конце прошлого года швейцарские ученые с помощью сканирующего туннельного микроскопа показали возможность использования фазовых переходов в супрамолекулярных структурах в технологиях хранения информации.

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.