محققان با مدل‌سازی برهم‌کنش‌های مغناطیسی درون ملوکول Mn₁₂ به عنوان یک آهنربای ملوکولی می‌توانند ابزارهای ذخیره اطلاعات برای کاربردهای محاسباتی تولید کنند.

برای اولین بار ویژگی‌های آهنربایی یک نمونه آهنربای ملوکولی مثل Mn₁₂ توسط یک گروه بین‌المللی از محققان مدل‌سازی شده است. محاسبات مربوطه علاوه بر کمک به مطالعه پدیده‌های کوانتومی در مقیاس نانو مثل تونل‌زنی کوانتومی، برای توسعه ابزارهای فیزیکی مهم خواهد بود.

آهنرباهای تک-ملوکولی از قبیل Mn₁₂، Mn₄ و V₁₅ آنسامبل‌های طبیعی از نانوذرات مغناطیسی یکسان با برهم‌کنش خفیف هستند به طوری که می‌توانند مغناطیس‌شدگی‌شان را بین دو حالت تغییر دهند؛ برای مثال از «اسپین بالا» به «اسپین پایین». در دماهای پایین، حالت مغناطیسی ملوکولی حتی در غیاب یک میدان مغناطیسی ادامه می‌یابد. به کمک چنین «اثر حافظه‌ای» می‌توان ابزارهای ذخیره اطلاعات با چگالی بالا برای کاربردهای محاسباتی ساخت و به طور کلی در علم الکترونیک ملوکولی استفاده کرد.

Mn₁₂ علاوه بر اینکه یک آهنربای ملوکولی است، یک مدل ایده‌آل برای مطالعه ویژگی‌های فیزیکی دینامیک اسپین و عدم همدوسی کوانتومی در سیستم‌های کوانتومی نانو-مقیاس است. این ملوکول دارای ۱۲ یون مغناطیسی با اسپین‌های بالا است، بنابراین فضای اشغال شده توسط این حالت‌های کوانتومی (که تحت عنوان فضای هیلبرت شناخته می‌شود) خیلی بزرگ است.

بدون پارامترهای تنظیم‌پذیر

Mikhail Katsnelson رهبر گروه دانشگاه Radboud (هلند) توضیح می‌دهد، «محاسابات ما نشان می‌دهند مدل‌های کوانتوم-فیزیکی مدرن می‌توانند برای مطالعه برهم‌کنش‌های مغناطیسی به کمک اصول اولیه در چنین سیستم پیچیده‌ای استفاده شوند». او بیش‌تر توضیح می‌دهد، «با احترام به روش‌هایی که ما در گذشته بدست آوردیم، اکنون می‌توانیم همه برهم‌کنش‌های مغناطیسی درون این ملوکول را آنالیز کنیم؛ بدون هیچ پارامتر تنظیم پذیری». او اضافه می‌کند: «به نظر می‌رسد که این محاسبات نتایج حاصل از آزمایش‌های پراکندگی ناکشسان نوترون روی Mn₁₂ تایید کند».

تاکنون بیش‌ترین کار نظری روی آهنرباهای مغناطیسی عمدتا برمبنای مدلی تحت عنوان « مدل اسپین-صلب» متکی بود. طبق این مدل سیستم شامل تمام اسپین‌های برهمکنش کننده توسط یک تک اسپین بزرگ جایگزین می‌شوند. به هر حال چنین توصیفی نسبتا ساده است و عمدتا برهمکنش‌های بین ملوکولی را نادیده می‌گیرید.

برهمکنش‌ها مهم هستند

از کارهای قبل‌تری، محققان گمان کرده بودند انواع خاصی از برهم‌کنش‌های مغناطیسی تحت عنوان برهم‌کنش‌های تبادل پاد-متقارن یا برهمکنش‌های Dzyaloshinskii–Moriyaf (D-M) می‌توانند نقش مهمی در فیزیک آهنرباهای ملوکولی بازی کنند. Katsnelson می‌گوید: «ما اکنون این فرض را به شکل کمی تایید کرده‌ایم».

برهم‌کنش D-M نتیجه برهم‌کنش اسپین-مدار است که مدار الکترونی و مغناطیس اسپین ذاتی را به هم جفت می‌کند. در واقع برهم‌کنش D-Mبخشی از برهم‌کنش اسپین-مدار است که به جفت‌شدگی عمودی ممان‌های مغناطیسی مربوط است (نسبت به جفت‌شدگی‌های موازی-غیرموازی). این برهم‌کنش باعث یک تابخوردگی دوره‌ای (چپ-راست-چپ-راست) در فرومغناطیس‌های ضعیف می‌شود. هم‌چنین به نظر می‌رسد که این برهم‌کنش مسئول اثر «الکتریک-مغناطیسی» در موادی باشد که هر دو نظم الکتریکی و مغناطیسی را تواما دارند. آخرین محاسبات شاید بتواند آزمایش‌های جدیدی برای آشکارسازی یک نظم پاد-فرومغناطیس درون-صفحه که از برهم‌کنش‌های M-D ناشی می‌شود، مهیا کند.

با انگیزش از نتایج جدیدشان، Katsnelson می‌گوید که او و همکارانش اکنون مدل‌شان را به دیگر آهنرباهای ملوکولی و خوشه‌های مغناطیسی نانو-مقیاس به کار خواهند بست.

منبع:Modelling molecular magnets - physicsworld.com