एकल-अणु चुंबक

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एक एकल-अणु चुंबक (एसएमएम) एक धातु-कार्बनिक यौगिक है जिसमें आणविक पैमाने पर एक निश्चित superparamagnetism#ब्लॉकिंग तापमान के नीचे सुपरपरामैग्नेटिज्म व्यवहार होता है। इस तापमान सीमा में, एक SMM विशुद्ध रूप से आणविक उत्पत्ति के चुंबकीय हिस्टैरिसीस को प्रदर्शित करता है।[1][2] पारंपरिक बल्क मैग्नेट और अणु-आधारित मैग्नेट के विपरीत, चुंबकीय क्षणों की सामूहिक लंबी दूरी की चुंबकीय व्यवस्था आवश्यक नहीं है।[2]

हालांकि शब्द एकल-अणु चुंबक पहली बार 1996 में नियोजित किया गया था,[3] पहला एकल-अणु चुंबक, [एमएन12O12(ओएसी)16(एच2ओ)4] (उपनाम एमएन12) 1991 में रिपोर्ट किया गया था।[4][5][6] इस मैंगनीज ऑक्साइड यौगिक में एक केंद्रीय Mn(IV) होता है4O4 क्यूब 8 एमएन (III) इकाइयों की अंगूठी से घिरा हुआ है जो ऑक्सो लिगैंड्स को जोड़ने के माध्यम से जुड़ा हुआ है, और सीए के तापमान तक धीमी चुंबकीय विश्राम व्यवहार प्रदर्शित करता है। 4 के.[7][8] चुंबकीय स्मृति में अनुप्रयोगों को सक्षम करने के लिए इस क्षेत्र में प्रयास मुख्य रूप से एकल-अणु मैग्नेट के ऑपरेटिंग तापमान को तरल नाइट्रोजन तापमान या कमरे के तापमान तक बढ़ाने पर ध्यान केंद्रित करते हैं। अवरुद्ध तापमान को बढ़ाने के साथ-साथ, तेजी से स्पिन पुनर्संरचना को रोकने के लिए उच्च ऊर्जा अवरोधों के साथ एसएमएम विकसित करने के प्रयास किए जा रहे हैं।[9] अनुसंधान के इस क्षेत्र में हालिया त्वरण के परिणामस्वरूप एकल-अणु चुंबक ऑपरेटिंग तापमान में 70 K से ऊपर की महत्वपूर्ण वृद्धि हुई है।[10][11][12][13]


माप

चुंबकीय विश्राम का अरहेनियस व्यवहार

एकल-अणु चुम्बकों के चुंबकीय अनिसोट्रॉपी के कारण, चुंबकीय क्षण में आमतौर पर केवल दो स्थिर झुकाव होते हैं जो एक दूसरे के समानांतर होते हैं, एक ऊर्जा अवरोध द्वारा अलग किए जाते हैं। स्थिर अभिविन्यास अणु के तथाकथित "आसान अक्ष" को परिभाषित करते हैं। परिमित तापमान पर, चुंबकत्व के पलटने और उसकी दिशा को उलटने की सीमित संभावना होती है। एक सुपरपरामैग्नेटिज़्म के समान, दो फ़्लिप के बीच के औसत समय को नील विश्राम समय कहा जाता है और इसे निम्नलिखित नील-अरहेनियस समीकरण द्वारा दिया जाता है:[14]

कहाँ:

  • τ चुंबकीय विश्राम का समय है, या थर्मल उतार-चढ़ाव के परिणामस्वरूप अणु के चुंबकत्व को बेतरतीब ढंग से पलटने में लगने वाले समय की औसत मात्रा है
  • τ0 समय की लंबाई है, सामग्री की विशेषता, जिसे प्रयास समय या प्रयास अवधि कहा जाता है (इसके व्युत्क्रम को प्रयास आवृत्ति कहा जाता है); इसका सामान्य मान 10 के बीच है−9 और 10−10 सेकंड
  • उeff एक "हार्ड प्लेन" के माध्यम से, अन्य आसान अक्ष दिशा में, अपनी प्रारंभिक आसान अक्ष दिशा से आगे बढ़ने वाले चुंबकीयकरण से जुड़ी ऊर्जा बाधा है। बाधा यूeff आम तौर पर प्रतिलोम सेंटीमीटर | सेमी में रिपोर्ट किया जाता है-1 या केल्विन में।
  • कB बोल्ट्जमैन स्थिरांक है
  • टी तापमान है

यह चुंबकीय विश्राम समय, τ, कुछ नैनोसेकंड से लेकर वर्षों या उससे अधिक समय तक कहीं भी हो सकता है।

चुंबकीय अवरोधन तापमान

तथाकथित चुंबकीय सुपरपरामैग्नेटिज्म # ब्लॉकिंग तापमान, टीB, को उस तापमान के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसके नीचे किसी विशेष जांच तकनीक के समय के पैमाने की तुलना में चुंबकत्व की छूट धीमी हो जाती है।[15] ऐतिहासिक रूप से, एकल-अणु चुम्बकों के लिए अवरुद्ध तापमान को उस तापमान के रूप में परिभाषित किया गया है जिस पर अणु का चुंबकीय विश्राम समय, τ, 100 सेकंड है। यह परिभाषा एकल-अणु चुंबक गुणों की तुलना के लिए वर्तमान मानक है, लेकिन अन्यथा तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण नहीं है। SMM के अवरुद्ध तापमान और ऊर्जा अवरोध को बढ़ाने के बीच आमतौर पर एक संबंध होता है। एसएमएम के लिए औसत अवरोधक तापमान 4K है।[16] डाई-मेटालोसेनियम लवण तरल नाइट्रोजन की तुलना में चुंबकीय हिस्टैरिसीस के उच्चतम तापमान को प्राप्त करने के लिए सबसे हालिया एसएमएम हैं।[9]


इंट्रामोल्युलर चुंबकीय विनिमय

धातु आयनों के स्पिन के बीच चुंबकीय युग्मन को superexchange इंटरैक्शन द्वारा मध्यस्थ किया जाता है और निम्नलिखित आइसोट्रोपिक हाइजेनबर्ग मॉडल (क्वांटम) द्वारा वर्णित किया जा सकता है:

कहाँ स्पिन i के बीच युग्मन स्थिरांक है (ऑपरेटर ) और स्पिन जे (ऑपरेटर ). सकारात्मक J के लिए युग्मन को फेरोमैग्नेटिक (स्पिन का समानांतर संरेखण) कहा जाता है और नकारात्मक J के लिए युग्मन को एंटीफेरोमैग्नेटिक (स्पिन का एंटीपैरल समानांतर संरेखण) कहा जाता है: एक उच्च स्पिन (भौतिकी) जमीनी राज्य , एक उच्च शून्य क्षेत्र विभाजन | शून्य-क्षेत्र-विभाजन (उच्च चुंबकीय अनिसोट्रॉपी के कारण), और अणुओं के बीच नगण्य चुंबकीय संपर्क।

इन गुणों के संयोजन से एक ऊर्जा अवरोध पैदा हो सकता है, ताकि कम तापमान पर सिस्टम को उच्च-स्पिन ऊर्जा कुओं में से एक में फंसाया जा सके।[2][17][18][19][20]


चुंबकीय छूट के लिए बाधा

एक एकल-अणु चुंबक में एक सकारात्मक या नकारात्मक चुंबकीय क्षण हो सकता है, और इन दो राज्यों के बीच ऊर्जा अवरोध अणु के विश्राम समय को बहुत निर्धारित करता है। यह बाधा अणु की जमीनी अवस्था के कुल स्पिन और उसके चुंबकीय अनिसोट्रॉपी पर निर्भर करती है। बाद की मात्रा का अध्ययन इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक अनुनाद के साथ किया जा सकता है।[21]


प्रदर्शन

एकल-अणु चुम्बकों का प्रदर्शन आमतौर पर दो मापदंडों द्वारा परिभाषित किया जाता है: चुंबकीय विश्राम को धीमा करने के लिए प्रभावी अवरोध, यूeff, और चुंबकीय अवरोधन तापमान, टीB. जबकि ये दो चर जुड़े हुए हैं, केवल बाद वाला चर, TB, व्यावहारिक उपयोग में सीधे एकल-अणु चुंबक के प्रदर्शन को दर्शाता है। इसके विपरीत, यूeff, चुंबकीय विश्राम को धीमा करने के लिए थर्मल बैरियर, केवल टी से संबंधित हैB जब अणु का चुंबकीय विश्राम व्यवहार प्रकृति में पूरी तरह से अरहेनियस होता है।

नीचे दी गई तालिका प्रतिनिधि को सूचीबद्ध करती है और 100-एस चुंबकीय अवरोधन तापमान और यू रिकॉर्ड करती हैeff मान जो एकल-अणु चुम्बकों के लिए रिपोर्ट किए गए हैं।

Complex Type TB (100-s; K) Ueff (cm−1) Ref. Year Reported
[Mn12O12(OAc)16(H2O)4] cluster 3 K 42 cm−1 [5][4][6] 1991
[K(18-crown-6)(THF)2][{[(Me3Si)2N]2(THF)Tb}2(μ-η2:η2-N2)] cluster 14 K 227 cm−1 [22] 2011
Tb(CpiPr5)2 single-ion 52 K 1205 cm−1 [23] 2019
[Dy(Cpttt)2][B(C6F5)4]* single-ion 56 K 1219 cm−1 [10][11] 2017
[Dy(CpiPr4Me)2][B(C6F5)4] single-ion 62 K 1468 cm−1 [12] 2018
[tBuPO(NHiPr)2Dy(H2O)][I3] single-ion 2.4 K 452 cm−1 [24] 2016
[Dy(CpiPr4H)2][B(C6F5)4] single-ion 17 K 1285 cm−1 [12] 2018
[Dy(CpiPr5)(CpMe5)][B(C6F5)4] single-ion 67 K 1541 cm−1 [13] 2018
[Dy(CpiPr4Et)2][B(C6F5)4] single-ion 59 K 1380 cm−1 [12] 2018
[Dy(CpiPr5)2][B(C6F5)4] single-ion 56 K 1334 cm−1 [12] 2018
[Dy(OtBu)2(py)5][BPh4] single-ion 12 K 1264 cm−1 [25] 2016

संक्षेप: ओएसी = एसीटेट, सीपीttt=1,2,4-tri(tert-butyl) cyclopentadienide, CpMe5= पेंटामेथिलसाइक्लोपेंटैडिएन|1,2,3,4,5-पेंटा(मिथाइल)साइक्लोपेंटैडिएनाइड, सीपीiPr4H= 1,2,3,4-टेट्रा (आइसोप्रोपाइल) साइक्लोपेंटैडिएनाइड, सीपीiPr4Me= 1,2,3,4-टेट्रा (आइसोप्रोपिल)-5-(मिथाइल) साइक्लोपेंटैडिएनाइड, सीपीiPr4Et= 1-(एथिल)-2,3,4,5-टेट्रा(आइसोप्रोपिल) साइक्लोपेंटैडिएनाइड, सीपीiPr5= 1,2,3,4,5-पेंटा(आइसोप्रोपाइल) साइक्लोपेंटैडिएनाइड

*चुंबकीय रूप से तनु नमूनों से मापदंडों को इंगित करता है[26]


प्रकार

धातु क्लस्टर

ferritin

धातु समूहों ने एकल-अणु चुंबक अनुसंधान के पहले दशक-प्लस का आधार बनाया, जिसकी शुरुआत एकल-अणु मैग्नेट, एमएन के मूलरूप से हुई12.[4][5][6] यह कॉम्प्लेक्स एक बहुधातु मैंगनीज (Mn) कॉम्प्लेक्स है जिसका फॉर्मूला [Mn12O12(ओएसी)16(एच2ओ)4], जहाँ OAc का मतलब एसीटेट है। इसमें अवरुद्ध तापमान के नीचे उनके चुंबकीयकरण की बेहद धीमी छूट दिखाने की उल्लेखनीय संपत्ति है। [मन12O12(ओएसी)16(एच2ओ)4एसएच · सीएचएच2O·2AcOH, जिसे Mn कहा जाता है12-एसीटेट इसका एक सामान्य रूप है जिसका प्रयोग शोध में किया जाता है।[27]

एकल-अणु चुम्बक भी लोहे के गुच्छों पर आधारित होते हैं[15]क्योंकि उनके पास संभावित रूप से बड़े स्पिन राज्य हैं। इसके अलावा, बायोमोलिक्यूल फेरिटिन को भी एक नैनोमैग्नेट माना जाता है। क्लस्टर में एफ8ब्र द कटियन फे8 [फे] के लिए खड़ा है8O2(ओह)12(टीएसी)6]8+, टैकन के साथ 1,4,7-ट्राइएज़ासाइक्लोनोनेन का प्रतिनिधित्व करता है।

फेरस क्यूब कॉम्प्लेक्स [Fe4(एसएई)4(मेओएच)4] Fe(II) क्लस्टर को शामिल करने वाले एकल-अणु चुंबक का पहला उदाहरण था, और इस कॉम्प्लेक्स का कोर वैकल्पिक कोनों पर Fe और O परमाणुओं के साथ थोड़ा विकृत घन है।[28] उल्लेखनीय रूप से, यह एकल-अणु चुंबक गैर-समरेख चुंबकत्व प्रदर्शित करता है, जिसमें चार Fe परमाणुओं के परमाणु स्पिन क्षण विपरीत दिशाओं में दो लगभग लंबवत अक्षों के साथ इंगित करते हैं।[29] सैद्धांतिक संगणनाओं से पता चला है कि लगभग दो चुंबकीय इलेक्ट्रॉन प्रत्येक Fe परमाणु पर स्थानीयकृत होते हैं, अन्य परमाणु लगभग गैर-चुंबकीय होते हैं, और स्पिन-ऑर्बिट-युग्मन संभावित ऊर्जा सतह में तीन स्थानीय ऊर्जा मिनिमा होती है, जिसमें चुंबकीय अनिसोट्रॉपी बाधा 3 meV के ठीक नीचे होती है।[30]


अनुप्रयोग

एसएमएम का एक संभावित उपयोग हार्ड डिस्क को कोट करने के लिए बेहतर चुंबकीय पतली फिल्म है।

कई खोजे गए प्रकार और संभावित उपयोग हैं।[31][32] एकल-अणु मैग्नेट नैनोमैग्नेट्स (नैनोस्केल चुंबकीय कण) के लिए एक आणविक दृष्टिकोण का प्रतिनिधित्व करते हैं।

आम तौर पर बड़े, द्वि-स्थिर स्पिन असमदिग्वर्ती होने की दशा के कारण, एकल-अणु मैग्नेट चुंबकीय भंडारण के लिए शायद सबसे छोटी व्यावहारिक इकाई की प्राप्ति का वादा करते हैं, और इस प्रकार एक कंप्यूटर जितना के लिए संभावित बिल्डिंग ब्लॉक हैं।[1]नतीजतन, कई समूहों ने अतिरिक्त एकल-अणु चुम्बकों के संश्लेषण में महान प्रयास किए हैं। क्वांटम कम्प्यूटिंग के लिए एकल-अणु मैग्नेट को संभावित बिल्डिंग ब्लॉक माना जाता है।[33] एक एकल-अणु चुंबक स्पष्ट रूप से परिभाषित निचले स्तर के ऊर्जा स्तरों के साथ कई अंतःक्रियात्मक स्पिनों की एक प्रणाली है। एकल-अणु चुंबक की उच्च समरूपता स्पिन के सरलीकरण की अनुमति देती है जो बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों में नियंत्रणीय हो सकती है। एकल-अणु मैग्नेट मजबूत अनिसोट्रॉपी प्रदर्शित करते हैं, एक संपत्ति जो एक सामग्री को विभिन्न झुकावों में गुणों की भिन्नता को मानने की अनुमति देती है। अनिसोट्रॉपी यह सुनिश्चित करता है कि क्वांटम कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों के लिए स्वतंत्र स्पिन का संग्रह फायदेमंद होगा। एक एकल स्पिन की तुलना में बड़ी मात्रा में स्वतंत्र स्पिन, एक बड़ी कक्षा के निर्माण की अनुमति देता है और इसलिए स्मृति का एक बड़ा संकाय। सुपरपोज़िशन सिद्धांत और स्वतंत्र स्पिन का हस्तक्षेप शास्त्रीय गणना एल्गोरिदम और प्रश्नों के और सरलीकरण के लिए भी अनुमति देता है।

सैद्धांतिक रूप से, क्वांटम कंप्यूटर शास्त्रीय कंप्यूटरों द्वारा प्रस्तुत भौतिक सीमाओं को एन्कोडिंग और डिकोडिंग क्वांटम स्टेट्स द्वारा दूर कर सकते हैं। क्वांटम खोज सिद्धांत, ग्रोवर के एल्गोरिथम के लिए एकल-अणु मैग्नेट का उपयोग किया गया है।[34] क्वांटम खोज समस्या आम तौर पर एक विशिष्ट तत्व के लिए एक अनियंत्रित डेटाबेस से पुनर्प्राप्त करने का अनुरोध करती है। शास्त्रीय रूप से तत्व को N/2 प्रयासों के बाद पुनः प्राप्त किया जाएगा, हालांकि एक क्वांटम खोज तत्व को पुनः प्राप्त करने के लिए डेटा के सुपरपोजिशन का उपयोग करती है, सैद्धांतिक रूप से खोज को एक क्वेरी में कम कर देती है। एकल आणविक चुम्बकों को उनके स्वतंत्र घुमावों के समूह के कारण इस कार्य के लिए आदर्श माना जाता है। ल्यूनबर्गर और लॉस द्वारा किए गए एक अध्ययन में, विशेष रूप से एकल स्पिन अणु मैग्नेट एमएन के क्षण को बढ़ाने के लिए क्रिस्टल का उपयोग किया गया12 और फे8. एम.एन.12 और फे8 दोनों लगभग 10 की पुनर्प्राप्ति समय के साथ मेमोरी स्टोरेज के लिए आदर्श पाए गए−10 सेकंड।[34]

SMM Fe के साथ सूचना भंडारण के लिए एक अन्य दृष्टिकोण4 तटस्थ से एनीओनिक तक एक राज्य संक्रमण के लिए गेट वोल्टेज का अनुप्रयोग शामिल है। विद्युतीय रूप से गेटेड आणविक चुम्बकों का उपयोग कम समय के दौरान स्पिन के क्लस्टर पर नियंत्रण का लाभ प्रदान करता है।[33]टनलिंग माइक्रोस्कोप टिप या स्ट्रिपलाइन | स्ट्रिप-लाइन का उपयोग करके विद्युत क्षेत्र को एसएमएम पर लागू किया जा सकता है। चालन में संबंधित परिवर्तन चुंबकीय अवस्थाओं से अप्रभावित हैं, यह साबित करते हुए कि अवरुद्ध तापमान की तुलना में सूचना भंडारण बहुत अधिक तापमान पर किया जा सकता है।[16]सूचना हस्तांतरण के विशिष्ट मोड में एक अन्य पठनीय माध्यम में डीवीडी शामिल है, जैसा कि एमएन के साथ दिखाया गया है12 पॉलिमर पर पैटर्न वाले अणु।[35] एसएमएम के लिए एक अन्य अनुप्रयोग मैग्नेटोकलोरिक रेफ्रिजरेंट में है। प्रायोगिक डेटा का उपयोग करने वाला एक मशीन लर्निंग दृष्टिकोण उपन्यास एसएमएम की भविष्यवाणी करने में सक्षम है जिसमें बड़े एन्ट्रापी परिवर्तन होंगे, और इसलिए चुंबकीय प्रशीतन के लिए अधिक उपयुक्त होंगे। प्रायोगिक संश्लेषण के लिए तीन काल्पनिक एसएमएम प्रस्तावित हैं:, , .[36] एंट्रॉपी गुणों में योगदान करने वाली मुख्य एसएमएम विशेषताओं में आयाम और समन्वय लिगेंड शामिल हैं।

इसके अलावा, एकल-अणु चुम्बकों ने क्वांटम यांत्रिकी के अध्ययन के लिए भौतिकविदों को उपयोगी टेस्ट-बेड प्रदान किए हैं। मैग्नेटाइजेशन की मैक्रोस्कोपिक क्वांटम टनलिंग पहली बार Mn में देखी गई थी12O12, हिस्टैरिसीस वक्र में समान रूप से दूरी वाले चरणों की विशेषता है।[37] यौगिक Fe में इस टनलिंग दर की आवधिक शमन8 ज्यामितीय चरणों के साथ देखा और समझाया गया है।[38]


यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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