Физики нашли новый материал для создания квантовых устройств

Московские физики совместно с испанскими коллегами показали, что альтернативой неорганическим материалам в спинтронике могут стать так называемые молекулярные магнетики. Испытанные авторами комплексы железа с органическими молекулами удовлетворяют жестким требованиям для разработки сверхбыстрых квантовых устройств. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition. На смену привычной нам электронике, в устройствах которой протекают потоки электронов, постепенно приходит спиновая электроника, или спинтроника. Она использует токи собственных магнитных моментов частиц проводящего материала — спины. "Чаще всего для построения элементов спинтронных устройств применяют неорганические материалы. Мы же предложили альтернативу — молекулярные магнетики, в нашем случае комплексы железа с органическими соединениями. Такие системы обладают магнитными свойствами, которые можно контролировать, изменяя фрагменты молекулы. Способы их синтеза довольно просты и отработаны, но к ним предъявляют высокие требования, особенно касающиеся возможности существования двух магнитных состояний: высоко- и низкоспинового. В первом материал притягивается магнитным полем, а во втором — практически не взаимодействует с ним. Переключение между состояниями важно для реализации основных функций спинтронных устройств", — рассказывает Валентин Новиков, доктор химических наук и заместитель директора по научной работе в ИНЭОС РАН. Сотрудники Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова (Москва) и Московского физико-технического института (Москва) вместе с испанскими коллегами представили компьютерную модель, в рамках которой комплексы двух ионов железа с органикой представляют собой звенья одной проводящей цепи. Ионы металла могут быть в одном из двух состояний — высоко- (В) или низкоспиновом (Н). При этом не обязательно состояние обеих частиц совпадет, потому в сумме каждое звено цепи имеет четыре варианта: В-В, Н-Н, В-Н или Н-В. Они превращаются друг в друга, но последний переход отследить сложнее всего, поскольку эти состояния отличаются лишь симметрией. Ученым удалось зафиксировать их при помощи довольно необычного подхода — парамагнитной версии спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Все дело в том, что высокоспиновое состояние соединения приводит к непредсказуемым сдвигам и уширению пиков на спектре. Однако в данной ситуации именно эти аномалии позволили авторам впервые зарегистрировать переход между ними. "Изученные нами системы представляют интерес для внедрения так называемых молекулярных клеточных автоматов — устройств, потенциально позволяющих создать альтернативную полупроводникам технологию для обработки информации, характеризующуюся низким энергопотреблением и тепловыделением. Такой спиновый переход является типичным примером молекулярной бистабильности и может быть положен в основу устройств хранения информации в будущем. Решение указанной проблемы внесет важный вклад в одно из приоритетных направлений развития науки — создание новых типов функциональных материалов для техники и технологий, в первую очередь — для использования в качестве компонентов молекулярной электроники: наноразмерных сенсоров, переключателей и логических устройств", — отметил Валентин Новиков.