Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Baggrund

Figur 1: Strukturel opbygning af det blandede valens kompleks {Mn12}, med fire mangan (IV) ioner (S = 3/2, mørklilla atomer, sorte pile) omgivet af otte mangan (III) ioner (S = 2, Lyserøde atomer, hvide pile). Spinnene parrer til at give en total spin grundtilstand, S_tot = 10.
Figur 2: Visualisering af barrieren til magnetisk relaxation, der eksisterer mellem de to magnetiske grundtilstande (mS = +10 og -10) i et molekyle med en samlet spin tilstand, Stot = 10.

Hvordan?

Studiet af molekylær magnetisme er en forholdsvis ny tilføjelse til den forskning, der udføres på Aarhus Universitet, men feltet selv er vokset hurtigt i de sidste to årtier. Det er et glimrende eksempel på et globalt og tværfagligt felt, der involverer forskningsgrupper fra alle kontinenter og som anvender en bred vifte af metoder, herunder bl.a. koordinationskemi; organisk og organometallisk syntese; strukturel karakterisering; magnetiske målinger; elektron paramagnetisk resonans (EPR); uelastisk neutronspredning (INS); og ab-initio og DFT beregninger. Vores mål er at udnytte vores ekspertise i at lave nøjagtige ladningstætheds-målinger til at finde ukendte sammenhænge mellem den magnetiske opførsel af disse molekyler og deres elektron og/eller spintætheds-fordelinger. Sådanne oplysninger kan vise sig afgørende i søgningen efter nye magnetiske molekyler med forbedrede egenskaber og dermed mulige teknologiske anvendelser (se nedenfor).

Enkelt-molekyle magneter (forkortet ”SMM’er” som står for single molecule magnets) er en klasse af forbindelser, hvor det enkelte molekyle kan bevare sin magnetisering selv i fravær af et eksternt magnetfelt. {Mn12} er det klassiske eksempel på en virkende SMM (Figur 1). Modstanden mod tab af magnetisering opstår på grund af en dobbelt-brønd i molekylets spin-energiniveauer, hvor de to fuldt magnetiserede tilstande (mS = +10 og mS = −10) er grund tilstande, og hvor overgangen mellem dem kræver overvindelse af en energetisk barriere (illustreret på Figur 2). Hvis et sådant system bliver magnetiseret, så vil det altså bevare sin magnetisering på ubestemt tid. Desværre er denne effekt indtil videre kun fundet ved meget lave temperaturer (under 15 K). Og af samme grund er et af de vigtigste mål i dette forskningsfelt at finde nye molekyler, hvor barrieren er tilstrækkelig høj til at virkningen kan observeres ved højere temperaturer—ideelt helt op til stuetemperatur. Rationelt design af sådanne systemer, båret af bevidste forudsigelser af molekylers magnetiske egenskaber, vil kræve en langt mere fuldstændig forståelse af den underliggende fysik, der forårsager effekten, og det er noget, som stadig over tyve år efter den første SMM blev opdaget ikke er realiseret. Det er præcis her vi mener at koblingen mellem elektron/spin tætheden og magnetiske egenskaber kan bringe os videre.

Hvorfor?

En anvendelse af SMM’er kunne være i informationslagring, eftersom molekyler typisk er meget mindre end de magnetiske domæner, der bruges i moderne harddiske. I skrivende stund er de højeste areal-tætheder, der kan opnås i harddiske omkring 125 Gbit /cm2. Den begrænsende faktor i hvor stor tæthed, der kan opnås, er størrelsen af de enkelte domæner, der anvendes til at lagre bits. Hvis vi kunne bygge en overflade fra SMM’er, hvor hvert domæne er et enkelt molekyle og hvor vi bruger dens samlede spin op eller ned (1 eller 0) som bit, så ville den potentielle lagringstæthed være i størrelsesordenen 30 Tbit/cm2—omkring 250 gange højere end moderne kommercielle harddiske. Desværre kræves der selv i de bedste nuværende forbindelser som sagt meget lave temperaturer (under 15 K) for at se denne effekt, og derudover kan kvante-tunneling effekter ofte omgå barrieren helt under visse betingelser. For at kunne bruge disse molekyler i bærbare enheder er vi derfor nødt til at hæve barrieren betragteligt, og det kræver opdagelser af helt nye molekylære systemer.

En nyere potentiel anvendelse af molekylære magneter er som komponenter i kvantecomputere. Kvante-informationsbehandling (forkortet som QIP fra engelsk) er en teknik der adskiller sig fundamentalt fra de traditionelle metoder, der anvendes i alle moderne computere. I stedet for logiske ”gates” hvor binære tilstande manipuleres, så udnytter QIP stoffets kvantetilstande, hvor superposition af tilstande er mulig og kan bruges til at udføre algoritmer, det ikke er muligt at løse med den nuværende teknologi. Et velkendt eksempel er Shors algoritme, som giver mulighed for beregning af primtals-faktorerne i et givent heltal. Alle moderne krypteringsteknikker er baseret på den manglende evne af selv de kraftigste supercomputere til at udføre sådanne beregninger hurtigt. Da de magnetiske tilstande i molekylære nano-magneter er kvantetilstande, er de blevet foreslået som potentielle qubits (quantum bits) i opbygningen af QIP logiske gates.

En tredje anvendelse, hvor magnetiske molekyler kan finde anvendelse er som magnetokaloriske kølemidler. Den magneto-kaloriske effekt (på engelsk forkortet som MCE) er en egenskab, hvor forskellen i entropi mellem de magnetiserede og afmagnetiserede tilstande af et materiale kan udnyttes til at opnå meget lave temperaturer. Fordelene ved disse systemer i forhold til konventionelle kompressions teknikker er, at de er mere energieffektive og ikke er afhængige af brugen af miljøskadelige gasser. Der er allerede udviklet og bygget systemer, der udnytter gadolinium legeringer til dette formål, men det er muligt at syntetisere molekylære forbindelser, der har endnu bedre køle-egenskaber. Dette er et voksende emne indenfor molekylær magnetisme forskning.

Til alle de ovennævnte anvendelser vil udviklingen af forbedrede forbindelser kræve fuld forståelse af og kontrol over egenskaberne af både de enkelte paramagnetiske ioner og samspillet mellem dem når flere sættes sammen. I de fleste tilfælde måles disse egenskaber indirekte ved brug af pulver teknikker og underbygges desuden af teoretiske beregninger, men mange af disse oplysninger kan direkte udledes fra elektron- og spin-tætheden af systemerne. Vores tilgang til at udvikle nye materialer er derfor at udføre både elektron- og spin-tætheds målinger på forbindelser, hvor der er identificeret mulige sammenhænge, men hvor eksperimentel bekræftelse mangler. Sådanne undersøgelser vil udgøre en enorm styrkelse af vores forståelse af disse systemer.