Молекулярный магнит
Российские ученые создали светоуправляемый материал для хранения информации
Ученые синтезировали комплекс на основе меди и органической молекулы спиропирана, который, с одной стороны, демонстрирует переключение и изменение свойств под действием света, а с другой — проявляет свойства молекулярного магнита при температурах от –273 °C до –267 °C. При таком охлаждении соединение некоторое время сохраняет намагниченность даже при выключении внешнего магнитного поля, благодаря чему его потенциально можно будет использовать при создании оптических сенсоров и управляемых светом электронных устройств. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Dalton Transactions.
Фото: Максим Фараонов
Фото: Максим Фараонов
«Материалы, подобные тому, что мы получили, могут стать основой для запоминающих устройств со сверхплотным хранением информации, которыми можно управлять с помощью света. Свет позволяет быстрее, чем ток, передавать сигналы, поэтому управление светом потенциально позволит ускорить процессы обработки информации»,— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Конарев, доктор химических наук, заведующий лабораторией перспективных полифункциональных материалов Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН.
В электронике востребованы материалы, некоторыми свойствами которых, например магнитными и оптическими, можно быстро и точно управлять. Среди таких соединений перспективны фотохромные молекулы спиропиранов — органические вещества, изменяющие свою структуру и оптические свойства под действием света. Так, в темноте или под действием видимого света эти молекулы бесцветны, а при ультрафиолетовом излучении (например, длиной волны 366 нанометров) они приобретают темно-фиолетовую окраску. Эти изменения связаны с тем, что изменяется геометрия молекулы: в первом случае фрагменты молекулы замкнуты (закрытая бесцветная форма), а во втором — молекула «раскрывается» и вытягивается в цепочку (открытая цветная форма). Если ввести в молекулы спиропиранов металлы, у соединений появятся магнитные свойства и их можно будет использовать для создания управляемых светом электронных приборов, например сенсоров и устройств памяти. Однако таких комплексов до сих пор известно немного, поэтому ученые ищут новые перспективные соединения.
Исследователи из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка) с коллегами синтезировали комплекс, в котором молекула спиропирана соединяется с ионом меди. Для этого авторы в пробирке в органическом растворителе смешали медьсодержащее соединение и спиропиран. Смесь в течение суток перемешивали, после чего добавили к нему еще один растворитель — гексан. В результате на стенках пробирки сформировались кристаллы искомого соединения.
Ученые исследовали магнитные свойства кристаллов при температурах от –272,5 °C до +27 °C. Для этого образцы соединений помещали во внешнее магнитное поле, а также дополнительно воздействовали на образец переменным магнитным полем, поочередно включая и выключая его с различной частотой. При температурах от –271 °C до –267 °C исследуемый комплекс проявлял медленную магнитную релаксацию, то есть некоторое время — в течение нескольких миллисекунд — сохранял намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. Таким образом, полученное соединение в этом интервале температур вело себя как мономолекулярный магнит. Такое поведение оказалось неожиданным для медьсодержащего комплекса, поскольку ученым удалось создать определенное уникальное окружение атома меди. Обычно медьсодержащие комплексы не проявляют таких магнитных свойств во всем исследованном интервале температур — от –271 °C до +27 °C.
Комплекс сохранил чувствительность к свету, характерную для обычных спиропиранов, благодаря чему свет потенциально можно будет использовать для переключения магнитных свойств этого соединения.
Максим Фараонов на фоне оборудования для исследования магнитных свойств комплексов спиропиранов
Фото: Максим Фараонов
Максим Фараонов на фоне оборудования для исследования магнитных свойств комплексов спиропиранов
Фото: Максим Фараонов
«Ранее мы синтезировали управляемые светом магнитные соединения на основе спиропиранов и двух разных металлов — диспрозия и тербия. Полученный в новой работе комплекс содержит медь — более доступный и дешевый металл, для которого к тому же наблюдали квантовую когеренцию — эффект, при котором атомы находятся в суперпозиции определенных состояний и остаются связанными (зависимыми от состояния друг друга) даже на больших расстояниях. Благодаря этому комплексы на основе меди потенциально можно будет использовать в квантовых технологиях. В дальнейшем мы планируем попытаться “переключить” синтезированный нами комплекс между его “открытой” и “закрытой” формами в твердом виде и проследить, как это повлияет на магнитные свойства иона меди в его составе»,— рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Фараонов, ведущий научный сотрудник лаборатории перспективных полифункциональных материалов ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
В исследовании принимали участие сотрудники Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН (Москва), Международного томографического центра СО РАН (Новосибирск) и Киотского университета (Япония).