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

 

На краю
На краю

Школа PI SCAMT: Стань руководителем глобальной лаборатории
Университет ИТМО приглашает принять участие в Школе PI. Школа PI - это возможность узнать как из точки А "молодой кандидат наук" дойти до точки Б "научный руководитель". За 1 неделю вы узнаете об этапах организации успешной исследовательской группы в России и разработаете дорожную карту построения своей собственной лаборатории. Школа PI подходит для кандидатов наук, защитивших диссертацию в области естественных наук не ранее 2015 года. Прием заявок до 1 мая 2021 г.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Новые титансодержащие комплексы для водородных
аккумуляторов. Зеленая электроника: мягкий актуатор из венериной мухоловки. Шелковичные черви создают новые нанокомпозиты in vivo. Конференции

В магистратуру МГУ - без экзаменов, юбилейная универсиада
Универсиада МГУ - уникальный конкурс, впервые проводимый в новом формате, который охватывает широкий диапазон участников – студентов и выпускников специалитета, бакалавриата, магистратуры, аспирантов, молодых ученых. Конкурс рассчитан на поддержку талантливой молодежи, мотивацию дальнейшего развития научно-исследовательской карьеры, пропаганду научных знаний, активное вовлечение участников в обмен мнениями и равноправное соревнование со своими сверстниками и коллегами на международном уровне, а также поступление в бесплатную магистратуру МГУ без экзаменов по результатам Универсиады.

Спинтроника и iPod
В.В.Уточникова
В 1988 году Альберт Ферт и Петер Грюнберг независимо друг от друга обнаружили, что электросопротивление композитов, составленных из чередующихся слоев магнитного и немагнитного металла может невероятно сильно меняться при приложении магнитного поля. В течение десятилетия это, казалось бы, эзотерическое наблюдение революционным образом изменило электронную промышленность, позволяя накапливать на жестких дисках все возрастающий объем информации.

ДНК правит компьютером
Бидыло Тимофей Иванович
Наиболее вероятно, что главным революционным отличием процессоров будущего станут объемная (3D) архитектура и наноразмер составляющих, что позволит головокружительно увеличить количество элементов. Сегодня кремниевые технологии приближаются к своему технологическому пределу, и ученые ищут адекватную замену кремниевой логике. Клеточные автоматы, спиновые транзисторы, элементы логики на молекулах, транзисторы на нанотрубках, ДНК-вычисления…

Будущее техники отразилось в идеальном нанозеркале
Кушнир Сергей Евгеньевич
Свыше 99,9% падающего излучения отражает новое зеркало, построенное физиками США. А ведь толщина его составляет всего-то 0,23 микрометра. Специалисты говорят, что новинка способна улучшить параметры многих компьютерных устройств, где применяется лазерная оптика.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

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!



 
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.