Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1 Структура молекулярного наномагнита. Молекулярное кольцо Cr7Ni, которое изучали Ардаван с коллегами [1]. Химическая формула соединения Cr7NiF8(O2CCMe3)16 [10]. Атомы Cr и Ni (Cr7Ni) лежат в вершинах правильного восьмиугольника. Каждая сторона восьмиугольника представляет собой мостиковую связь через атом F и две пивалатные группы (-O2CCMe3). Семь ионов хрома(III) со спином 3/2 и один ион никеля(II) со спином 1 в результате антиферромагнитного взаимодействия приводят к основному состоянию молекулы со спином S=1/2.
Рис. 2 Соединенные молекулярные наномагниты. Для вычислительных операций с мульти-q-битами необходимо соединять молекулярные наномагниты между собой. В настоящее время активно проводятся исследования для достижения таких целей. На рисунке показано первое контролируемое связывание двух Mn4 молекулярных наномагнитов [11] с химической формулой [Mn4O3Cl4(O2CEt)3(py)3]2. Пунктирной линией показаны траектории, по которым осуществляется обменное взаимодействие между спинами электронов соседних молекул.

Молекулярные магниты. Большое время фазовой релаксации

Ключевые слова:  q-бит, квантовый компьютер, молекулярные магниты, органическая молекула, периодика

Опубликовал(а):  Гольдт Илья

08 января 2008

Перевод Анны Грошевой

Магнитные материалы, которые мы используем в повседневной жизни, обычно представляют собой твердые металлы или сплавы. Молекулярные соединения мы привыкли считать немагнитными. Однако исследования показали, что определенный тип молекул может обладать большим магнитным моментом со стабильной ориентацией, как у традиционных магнитных материалов. Такие молекулярные магниты можно активно изучать квантовыми методами. Так, было предложено их использование в качестве q-битов, фундаментальных единиц квантовой информации. В таких квантовых объектах необходимо регулировать одновременно и амплитуду и фазу. К сожалению, квантовое состояние системы постоянно изменяется из-за взаимодействия с окружением. Важнейшим требованием, предъявляемым к квантовой фазе при работе с квантовой информацией, является большое время релаксации (T2), а именно, оно должно быть больше времени осуществления нескольких вычислительных операций. В научной группе Ардавана [1] было измерено время релаксации специфического молекулярного магнита и показано, что его величина почти на три порядка выше, чем полагали ранее [2]. За такой продолжительный интервал времени можно осуществить около сотни операций, что выглядит многообещающе для квантовых вычислений.

Молекулярный магнит представляет собой органическую молекулу, в составе которой есть один или несколько ионов металла с неспаренными электронами. Неспаренные электронные спины сильно взаимодействуют со спинами других атомов, преимущественно кислорода. Полиядерные кластеры металлов окружены объемными лигандами (рис.1), которые защищают магнитное ядро от внешних воздействий. Первым и самым известным примером описанных соединений служит соединение двенадцати атомов марганца с ацетатными лигандами (Mn12-ацетат). Такие молекулярные наномагниты обладают как классическими магнитными свойствами [3], так и квантовыми [4, 5, 6].

За последние два десятилетия супрамолекулярная химия позволила получить несколько сотен молекулярных наномагнитов с контролируемыми магнитными свойствами. Например, можно создать объемные кристаллические структуры, в которых все молекулы ориентированы одинаково. Кроме того молекулы можно осаждать на подложки с образованием слоев. Подбор условий синтеза позволяет контролировать физические свойства и создавать связи между молекулами. Можно обеспечить дополнительные функциональные зависимости, например возможность переключения спиновых состояний под действием света.

В 2001 году для молекулярных наномагнитов был предложен квантовый алгоритм Гровера [7], который демонстрирует явные преимущества квантовых расчетов по сравнению с классическими. Позднее было разработано несколько других квантовых методов. Например, молекулярное кольцо Cr7Ni (рис.1) позволяет осуществлять преобразования одиночного q-бита и пары q-битов при помощи локальных магнитных полей [8], а не путем индивидуального воздействия на молекулу.

Несмотря на потенциальные возможности использования квантовых носителей информации, есть несколько проблем, которые необходимо решить. Первая и, пожалуй, самая серьезная уже отмечалась ранее, это потеря когерентности фаз с течением времени. Основными причинами сдвига фазы являются фононы, ядерные спины и межмолекулярные диполь-дипольные взаимодействия [9]. Влияние фононов можно минимизировать, понижая температуру. Понизить взаимодействие с ядерными спинами гораздо сложнее, потому что ядерными спинами в наномагнитах обладают такие элементы, как водород, азот, фтор и хлор, всегда присутствующие в органической молекуле. Наконец, из-за межмолекулярных взаимодействий применять можно только разбавленные системы, поскольку диполь-дипольные взаимодействия сильно понижаются с увеличением расстояния между частицами.

В своих экспериментах на Cr7M (M=Ni или Mn), см. рис.1, Ардаван с коллегами постарались минимизировать все три причины сдвига фаз, оптимизируя экспериментальные условия. Измерения проводились при криогенных температурах, влияние ядерных спинов было понижено путем использования изотопов с маленькими магнитными моментами, а для уменьшения межмолекулярного взаимодействия среднее расстояние между молекулами было доведено до 25 нм путем разбавления в толуоле. Неожиданным результатом стал тот факт, что ядерные спины ионов фтора, которые благодаря близости к ионам Cr7Ni ранее считались основным источником взаимодействия [2,8], не так важны, как ядерные спины атомов водорода, расположенных дальше. Влияние ядер водорода авторы уменьшали с помощью дейтерирования образцов. Хотя у дейтерия тоже есть ядерный спин, но магнитный момент значительно меньше, чем соответствующая величина у ядер водорода. С помощью метода ЭПР Ардаван с сотрудниками показали, что значение T2 превышает ожидания [2] и достигает микросекунд при температурах порядка нескольких Кельвинов. Такая большая временная шкала позволяет осуществлять сотни когерентных манипуляций со спинами электронов.

Достаточно ли для квантовой обработки информации такого времени релаксации спинов в молекулярных магнитах? Судя по проведенным исследованиям, ответ на этот вопрос «Да». По меньшей мере, результат авторов действительно является важным доводом в пользу квантовой обработки информации. Однако прежде, чем из q-битов может быть создан квантовый компьютер, необходимо решить еще несколько проблем. Одной из наиболее важных среди них является возможность контролируемого соединения молекулярных магнитов (рис.2). Квантовый компьютер должен содержать большое количество q-битов, которые необходимо правильно объединять для определенного типа вычислительных операций. Кроме того, необходимо уметь управлять каждым одиночным q-битом. Решение этих вопросов станет наиболее важным и сложным в дальнейшем.

Список литературы:

  1. Ardavan, A. et al. Phys. Rev. Lett. 98, 057201(2007).
  2. Wernsdorfer, W., Mailly, D., Timco, G. A. & Winpenny, R. E. P.Phys. Rev. B 72, 060409 (2005).
  3. Sessoli, R., Gatteschi, D., Caneschi, A. & Novak, M. A. Nature 365, 141–143 (1993).
  4. Friedman, J. R., Sarachik, M. P., Tejada, J. & Ziolo, R. Phys. Rev. Lett. 76, 3830–3833 (1996).
  5. Th omas, L. et al. Nature 383, 145–147 (1996).
  6. Wernsdorfer, W. & Sessoli, R. Science 284, 133–135 (1999).
  7. Leuenberger, M. & Loss, D. Nature 410, 789–793 (2001).
  8. Troiani, F., Aff ronte, M., Carretta, S., Santini, P. & Amoretti, G. Phys. Rev. Lett. 94, 190501 (2005).
  9. Morello, A., Stamp, P. C. E. & Tupitsyn,

    I. S. Phys. Rev. Lett. 97, 207206 (2006).

  10. Larsen, F. K. et al. Angew. Chem. Int. Edn 42, 101–105 (2003).
  11. Wernsdorfer, W., Aliaga-Alcalde, N., Hendrickson, D. & Christou, G. Nature 416, 406–409 (2002).




Комментарии
Трусов Л. А., 10 января 2008 11:37 
прикольно
Красивая структура! Интересно, а её кто-нибудь рассчитывал?
Очень интересно

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Новонаногоднее 2015
Новонаногоднее 2015

4 февраля объявили лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке»
4 февраля в здании Минобрнауки РФ состоялась торжественное награждение лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке». 11 научно-просветительских проектов были отмечены престижной наградой.

Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии
5 февраля в Московском университете в Шуваловском корпусе МГУ состоится Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии, посвященный Международному году Периодической таблицы химических элементов, начало - 10 часов.

II Всероссийский химический диктант пройдет 18 мая 2019 года
В 2019 году периодическому закону Дмитрия Менделеева исполнится 150 лет! В честь великого открытия этот год объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Одним из наиболее ярких событий, приуроченных к этому году, станет II Всероссийский химический диктант, который пройдет 18 мая и который в этом году выходит на международный уровень. Мероприятие было анонсировано в рамках церемонии открытия Международного года Периодической таблицы химических элементов 29 января 2019 года в Париже, в штаб-квартире ЮНЕСКО.

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Российская газета: Перевернуть пирамиду. Президент РАН: как повысить наши шансы на Нобеля
Юрий Медведев
Почему Россия по числу Нобелей отстает от ведущих стран мира, уступая, например, даже маленькой Швейцарии? Замалчиваются ли достижения отечественных ученых? Почему без привлечения в науку российского бизнеса мы не сможем успешно конкурировать в борьбе за престижную научную премию? Об этом корреспондент "РГ" беседует с президентом РАН Александром Сергеевым, который побывал в Стокгольме на вручении Нобелевских премий и поделился своими впечатлениями.

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.