Cientistas do IFJ PAN em cooperação com pesquisadores da Universidade Feminina de Nara (Japão) e da Universidade Jagiellonian (Polônia) deram mais um passo importante para a construção de um computador quântico funcional. Usando material contendo íons de térbio e ferramentas experimentais dedicadas, eles realizaram uma análise detalhada das propriedades magnéticas dinâmicas em ímãs moleculares individuais em relação à sua orientação em um campo magnético. A descoberta de uma forte anisotropia dessas propriedades é vital na construção de componentes eletrônicos moleculares.

Um dos maiores desafios enfrentados pela ciência moderna é construir um computador quântico acessível e altamente eficiente que revolucionará o setor de TI. Hoje, várias soluções são buscadas que poderiam levar à construção de tal dispositivo. Isso inclui sistemas supercondutores, pontos quânticos e fótons na cavidade de ressonância. Também são realizadas pesquisas intensivas sobre o uso de ímãs moleculares feitos de moléculas únicas de 1 nm de tamanho (SMM - Single Molecular Magnets). Para este propósito, Contudo, os cientistas não apenas precisam encontrar materiais com as características corretas, mas também compreender completamente o comportamento das moléculas magnéticas. Uma das principais direções de pesquisa nesta área concentra-se na dinâmica das propriedades magnéticas. Esses chamados relaxamentos magnéticos nos dizem como as propriedades magnéticas de uma determinada substância mudam com o tempo. No mundo quântico, tais dinâmicas são um fenômeno abundante e complicado, é por isso que os pesquisadores examinam cuidadosamente seus vários aspectos.

Até aqui, extensos estudos revelaram a possibilidade de usar ímãs moleculares para criar células de memória ou um transistor de spin. Os cientistas também são capazes de colocar moléculas individuais em um substrato adequado e usá-las para construir sistemas eletrônicos simples. As medições confirmam que os relaxamentos magnéticos desempenham um papel vital na operação dos sistemas moleculares. Por outro lado, sabe-se que a dinâmica das propriedades magnéticas depende da anisotropia das propriedades magnéticas estáticas. Contudo, na maioria dos estudos anteriores, ou a influência da orientação da molécula examinada em suas propriedades magnéticas dinâmicas não foi testada, ou foi feito apenas até certo ponto.

De acordo, uma equipe de cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências liderada pelo Dr. Eng. Piotr Konieczny decidiu investigar como as propriedades magnéticas dinâmicas de ímãs moleculares individuais mudam dependendo da orientação das moléculas. A maioria dos trabalhos de pesquisa sobre relaxação magnética lida com materiais na forma de pó, isto é, cristalitos orientados caoticamente, ou policristais, o que torna impossível analisar como essas propriedades mudam com a orientação da molécula. O grupo polonês, Portanto, decidiu estudar um único cristal - um monocristalino - em que todas as moléculas eram orientadas da mesma maneira. Esse ponto de partida permitiu aos cientistas observar os efeitos que ocorrem em uma única molécula. Para fazer isso, também era necessário construir um sistema experimental adequado que permitisse estudar a relaxação magnética em função da orientação da substância testada.

“Estávamos procurando um material que atendesse aos requisitos esperados, e, em particular, é caracterizado por forte anisotropia magnética e pode ser sintetizado como cristal de alta qualidade. Ao mesmo tempo, desenvolvemos equipamentos de laboratório para testar a dependência angular da dinâmica magnética usando a susceptibilidade magnética ac, "explica o Dr. Eng. Konieczny." O cristal específico foi encontrado no Japão, no laboratório do Prof. Takashi Kajiwara da Nara Women's University. Enquanto isso, testamos vários polímeros que pretendíamos aplicar na construção do sistema de medição. Usamos materiais plásticos revelando o sinal magnético mais fraco e tolerando bem as baixas temperaturas (2,0 K) para construir um protótipo totalmente funcional do dispositivo. As medições confirmaram nossa hipótese:o relaxamento magnético depende da orientação da molécula, e, portanto, mostra anisotropia. Ficamos surpresos ao ver que esse relacionamento era tão forte. Contudo, a análise teórica nos fornece uma explicação quantitativa do efeito observado. "

Os estudos foram realizados usando um magnetômetro SQUID comercial. Para analisar a dinâmica magnética na faixa de 0,1-1000 Hz, foi necessário usar o método de susceptibilidade magnética ac. Essa técnica é comumente adotada para estudar o relaxamento magnético. A inovação foi o uso da configuração desenvolvida que permitiu analisar a anisotropia das propriedades magnéticas dinâmicas (ou seja, relaxamento magnético). Este sistema dedicado foi construído no IFJ PAN para as investigações descritas. Ele permite que o cristal gire dentro do magnetômetro em temperaturas muito baixas (2 K), campos magnéticos altos (7 T) e em uma ampla faixa de frequência do campo eletromagnético (de 0,1 Hz a 1500 Hz). O dispositivo foi projetado e construído para eliminar o sinal de fundo indesejado. Portanto, é possível estudar a dinâmica magnética de pequenos cristais.

O material examinado - um ímã molecular de íon de térbio - foi sintetizado e testado estruturalmente pelo grupo do Prof. Kajiwara, enquanto a maioria das análises teóricas e experimentais foram realizadas no IFJ PAN. Os estudos confirmaram que as moléculas magnéticas apresentam anisotropia das propriedades magnéticas dinâmicas. Na molécula investigada, que se parece com a hélice de um navio, a taxa de relaxamento magnético é quatro vezes maior quando girado 80 graus.

O trabalho de pesquisa descrito permite que os cientistas aprendam como o relaxamento magnético em moléculas individuais pode mudar dependendo de sua orientação. Este conhecimento será aplicado no projeto de sistemas moleculares usados ​​em aplicações spintrônicas e computadores quânticos. Já se sabe que a orientação das moléculas tem um impacto significativo no funcionamento de tais sistemas. Os cientistas também conseguiram construir um dispositivo experimental que permitiria estudos mais detalhados da dinâmica magnética dos materiais.

"Nosso trabalho nos ajuda a entender melhor o comportamento de moléculas magnéticas individuais, "diz o Dr. Eng. Konieczny." Agora sabemos que a orientação das moléculas desempenha um papel importante na eletrônica molecular, por exemplo, um transistor molecular. A orientação aleatória das moléculas causará o funcionamento caótico dos sistemas eletrônicos ou spintrônicos. O arranjo idêntico das partículas, Contudo, irá garantir sua interação suave e melhor controle. "

Os resultados obtidos por cientistas do IFJ PAN são particularmente importantes para engenheiros que projetam e constroem sistemas eletrônicos de nova geração com moléculas magnéticas. "Nossas pesquisas futuras continuarão a se concentrar nas propriedades magnéticas dinâmicas dos ímãs moleculares, "conclui o Dr. Eng. Konieczny." Acreditamos que um profundo conhecimento dos fenômenos que ocorrem nesses materiais nos trará mais perto de criar um computador quântico molecular totalmente funcional. "