Максимальний спин молекули підняли до 60

Хіміки синтезували магнітну молекулу з рекордно високим значенням спину - 60. Це циклічний кластер, що містить 10 іонів заліза і 10 іонів гадолінія. Свої магнітні властивості вона проявляє при температурі близько 3 кельвінів, пишуть вчені в.

Молекулярні магніти - один з класів матеріалів, які пропонують використовувати при створенні наноустроїв для запису і зберігання інформації. Поки такі молекули працюють лише при дуже низьких температурах, тому щоб ці сполуки дійсно можна було використовувати в реальних пристроях, необхідно збільшувати температуру, при якій вони все ще володіють магнітними властивостями. Інше цікаве завдання, пов'язане з магнітними молекулами - отримання з'єднань, в яких основний енергетичний стан має якомога більший спин. Як правило, молекули з максимальним спином представляють із себе циклічні кластери, всередині яких за допомогою органічних лігандів утримуються парамагнітні іони 4f- і 3d-металів.

Для окремого іона максимальний спин становить 7/2, але якщо іони з'єднати в молекулярний кластер і узгодити їх спини таким чином, щоб вони не компенсували один одного, а вибудовувалися в один бік, то максимальний спин однієї молекули можна значно перевершувати спин одного іона. До теперішнього дня рекорд належав комплексу, що містить 19 іонів марганцю змішаного ступеня окислення: Mn(II) и Mn(III). В основному енергетичному стані спин такого кластера становить 83/2.

Група хіміків з Саудівської Аравії, Німеччини та Італії під керівництвом Юргена Шнака (Jürgen Schnack) з Білефельдського університету і Енні Пауелл (Annie Powell) з Хаїльського університету синтезували молекулярний кластер, у якого спин в основному стані ще більше і становить 60 (це в 120 разів більше спина окремого електрону). Потрібною магнітною молекулою виявився комплекс, що містить іони заліза і гадолінія з формулою [Fe₁₀Gd₁₀ (Me-tea₎ 10 (Me-te_aH) 1_{0 (N}O3) 10]· 20MeCN, де Me-tea - органічний ліганд зі структурою третинного аміну загального _{складу (}C7^H14O3N) 3-.

Молекула має циклічну структуру у формі еліпса (з великим діаметром 28,4 ангстрема і малим діаметром 26,3 ангстрема). Іони заліза і гадолінія в молекулі пов'язані один з одним через атоми кисню, при цьому іони заліза-III в молекулі мають спин 5/2, а іона гадолінія-III - відповідно, 7/2.

Домогтися того, щоб спини всіх іонів були узгоджені і орієнтовані в потрібному напрямку, вдається за рахунок системи обмінних взаємодій в молекулі, які спостерігаються в парах Fe-Fe і Fe-Gd. Для двох цих пар обмінна енергія відрізняється за модулем, а для пари іонів Gd-Gd - дорівнює нулю. При кімнатній температурі іони між собою не взаємодіють, і магнітні властивості спостерігаються тільки при температурах близько 3 кельвінів, коли молекула переходить в потрібний квантовий стан.

Вчені при цьому відзначають, що квантовий стан, при якому досягається необхідний магнітний момент, - дуже нестійкий, тому практично будь-який незначний вплив (підвищення температури або збільшення тиску) може призвести до переходу в незв'язаний стан.

Основна складність при використанні молекулярних магнітів в реальних пристроях полягає саме в тому, що працюють вони тільки при дуже низьких температурах. Однак завдяки активним дослідженням в даній області максимальну температуру їх роботи вдається постійно збільшувати, і зараз її вже практично довели до температури рідкого азоту.