Los científicos de IFJ PAN en cooperación con investigadores de la Universidad de Mujeres de Nara (Japón) y la Universidad Jagiellonian (Polonia) dieron otro paso importante hacia la construcción de una computadora cuántica funcional. Usando material que contiene iones de terbio y herramientas experimentales dedicadas, realizaron un análisis detallado de las propiedades magnéticas dinámicas en imanes moleculares individuales con respecto a su orientación en un campo magnético. La fuerte anisotropía descubierta de estas propiedades es vital en la construcción de componentes electrónicos moleculares.

Uno de los mayores desafíos que enfrenta la ciencia moderna es construir una computadora cuántica asequible y altamente eficiente que revolucionará la industria de las TI. Hoy dia, Se buscan varias soluciones que podrían conducir a la construcción de tal dispositivo. Estos incluyen sistemas superconductores, puntos cuánticos y fotones en la cavidad de resonancia. También se lleva a cabo una intensa investigación sobre el uso de imanes moleculares hechos de moléculas individuales de 1 nm de tamaño (SMM - Single Molecular Magnets). Para este propósito, sin embargo, los científicos no solo necesitan encontrar materiales con las características adecuadas, sino que también deben comprender a fondo el comportamiento de las moléculas magnéticas. Una de las direcciones clave de la investigación en esta área se centra en la dinámica de las propiedades magnéticas. Estas llamadas relajaciones magnéticas nos dicen cómo las propiedades magnéticas de una sustancia determinada cambian con el tiempo. En el mundo cuántico tales dinámicas son un fenómeno abundante y complicado, razón por la cual los investigadores examinan cuidadosamente sus diversos aspectos.

Hasta aquí, Amplios estudios han revelado la posibilidad de utilizar imanes moleculares para crear células de memoria o un transistor de espín. Los científicos también pueden colocar moléculas individuales en un sustrato adecuado y usarlas para construir sistemas electrónicos simples. Las mediciones confirman que las relajaciones magnéticas juegan un papel vital en el funcionamiento de los sistemas moleculares. Por otra parte, se sabe que la dinámica de las propiedades magnéticas depende de la anisotropía de las propiedades magnéticas estáticas. Sin embargo, en la mayoría de los estudios anteriores, o bien no se ha probado la influencia de la orientación de la molécula examinada sobre sus propiedades magnéticas dinámicas, o se ha hecho sólo de forma limitada.

Respectivamente, un equipo de científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia dirigido por el Dr. Eng. Piotr Konieczny decidió investigar cómo cambian las propiedades magnéticas dinámicas de los imanes moleculares individuales según la orientación de las moléculas. La mayor parte del trabajo de investigación sobre relajación magnética se ocupa de materiales en forma de polvo, es decir, cristalitos orientados caóticamente, o policristales, lo que hace imposible analizar cómo cambian estas propiedades con la orientación de la molécula. El grupo polaco, por lo tanto, Decidió estudiar un solo cristal, un monocristalino, en el que todas las moléculas estaban orientadas de la misma manera. Este punto de partida permitió a los científicos observar los efectos que tienen lugar en una sola molécula. Para hacer esto, También era necesario construir un sistema experimental apropiado que permitiera estudiar la relajación magnética en función de la orientación de la sustancia probada.

"Buscábamos un material que cumpliera con los requisitos esperados, y en particular se caracteriza por una fuerte anisotropía magnética y puede sintetizarse como cristal de alta calidad. Al mismo tiempo, Desarrollamos equipos de laboratorio para probar la dependencia del ángulo de la dinámica magnética utilizando susceptibilidad magnética de CA, "explica el Dr. Ing. Konieczny." El cristal específico se encontró en Japón, en el laboratorio del Prof. Takashi Kajiwara de la Universidad de Mujeres de Nara. Mientras tanto, probamos varios polímeros que pretendíamos aplicar en la construcción del sistema de medición. Usamos materiales plásticos que revelan la señal magnética más débil y toleran bien las bajas temperaturas (2.0 K) para construir un prototipo completamente funcional del dispositivo. Las mediciones confirmaron nuestra hipótesis:la relajación magnética depende de la orientación de la molécula, y por tanto muestra anisotropía. Nos sorprendió que esta relación fuera tan fuerte. Sin embargo, el análisis teórico nos proporciona una explicación cuantitativa del efecto observado ".

Los estudios se llevaron a cabo utilizando un magnetómetro SQUID comercial. Para analizar la dinámica magnética en el rango de 0,1-1000 Hz, fue necesario utilizar el método de susceptibilidad magnética de CA. Esta técnica se adopta comúnmente para estudiar la relajación magnética. La innovación fue el uso de la configuración desarrollada que permitió analizar la anisotropía de las propiedades magnéticas dinámicas (es decir, relajación magnética). Este sistema dedicado fue construido en IFJ PAN para las investigaciones descritas. Permite que el cristal gire dentro del magnetómetro a muy bajas temperaturas (2 K), campos magnéticos elevados (7 T) y en un amplio rango de frecuencia del campo electromagnético (de 0,1 Hz a 1500 Hz). El dispositivo fue diseñado y construido para eliminar la señal de fondo no deseada. Por eso, es posible estudiar la dinámica magnética de pequeños cristales.

El material examinado, un imán molecular de iones de terbio, fue sintetizado y probado estructuralmente por el grupo del profesor Kajiwara, mientras que la mayoría de los análisis teóricos y experimentales se llevaron a cabo en IFJ PAN. Los estudios han confirmado que las moléculas magnéticas muestran anisotropía de propiedades magnéticas dinámicas. En la molécula investigada, que parece la hélice de un barco, La tasa de relajación magnética es cuatro veces mayor cuando se gira 80 grados.

El trabajo de investigación descrito permite a los científicos aprender cómo la relajación magnética en moléculas individuales puede cambiar dependiendo de su orientación. Este conocimiento se aplicará para diseñar sistemas moleculares utilizados en aplicaciones espintrónicas y computadoras cuánticas. Ahora se sabe que la orientación de las moléculas tiene un impacto significativo en el funcionamiento de tales sistemas. Los científicos también lograron construir un dispositivo experimental que permitiría estudios más detallados de la dinámica magnética de los materiales.

"Nuestro trabajo nos ayuda a comprender mejor el comportamiento de las moléculas magnéticas individuales, "dice el Dr. Ing. Konieczny." Ahora sabemos que la orientación de las moléculas juega un papel importante en la electrónica molecular, por ejemplo, un transistor molecular. La orientación aleatoria de las moléculas provocará un funcionamiento caótico de los sistemas electrónicos o espintrónicos. La disposición idéntica de las partículas, sin embargo, garantizará su interacción fluida y un mejor control ".

Los resultados obtenidos por los científicos de IFJ PAN son particularmente importantes para los ingenieros que diseñan y construyen sistemas electrónicos de nueva generación con moléculas magnéticas. "Nuestra investigación adicional continuará centrándose en las propiedades magnéticas dinámicas de los imanes moleculares, ", concluye el Dr. Eng. Konieczny. Creemos que un conocimiento profundo de los fenómenos que ocurren en estos materiales nos acercará a la creación de una computadora cuántica molecular completamente funcional".