Обнаружено переключение полимерной молекулы между двумя спиновыми состояниями, которое можно использовать для разработки новых устройств хранения и обработки информации.

Исследователям из МФТИ, Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН и Университета Барселоны (Испания) впервые удалось зарегистрировать специфический переход соединения железа между спиновыми состояниями. Подобные переключения магнетиков способны передавать логический сигнал, что в будущем, возможно, поможет разработать процессоры и устройства памяти с большим отношением производительности к количеству потребляемой энергии, чем в современных полупроводниковых процессорах. Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie.

Иллюстрация перехода между двумя состояниями. Источник: Aleshin et al. / Angew. Chem. Int. Ed., 2021

Современные полупроводниковые процессоры для передачи информации и проведения логических операций используют движение электронов. На этом пути в настоящее время практически достигнут предел производительности. Дальнейшее ускорение вычислений требует принципиально новых подходов, одним из которых служит спинтроника, в основе которой лежит перенос информации посредством взаимодействия магнитных моментов (спинов) электронов.

Для этой цели подходит далеко не любой материал, поскольку к нему предъявляются достаточно жёсткие требования. В первую очередь используемое в спинтронике вещество должно быть способно намагничиваться, а его молекулы — существовать в двух разных устойчивых состояниях, что позволит хранить информацию в двоичном виде и проводить логические операции. Для этого подходят молекулы, которые содержат один или несколько неспаренных электронов. Такие соединения могут быть получены с использованием современных методов синтеза, обеспечивающих идентичность всех получаемых молекул. При этом их магнитные свойства можно контролировать.

Авторы работы исследовали поведение сложной полимерной молекулы с двумя ионами двухвалентного железа, каждый из которых может существовать в двух состояниях — высокоспиновом (ВС) и низкоспиновом (НС). Оказалось, что в такой молекуле возможен переход между ВС–НС и НС–ВС состояниями, т. е. когда один атом железа находится в одном состоянии, а второй — в другом. Причём переход происходит на микросекундном масштабе времени.

Однако такой процесс очень сложно обнаружить из-за симметрии молекул. Поэтому для решения этой проблемы исследователи применили метод ядерного магнитного резонанса, при котором можно зарегистрировать взаимодействие ядерных магнитных моментов с магнитным полем, магнитными моментами неспаренных электронов и друг с другом. В данном случае они наблюдали взаимодействие магнитных моментов ядер с моментами электронов, благодаря чему впервые удалось зарегистрировать переход между ВС–НС и НС–ВС состояниями.

Открытый переход представляет интерес при создании новых устройств для сверхплотного хранения информации и её обработки на основе молекулярных систем. Такие устройства называют молекулярными клеточными автоматами. На их основе можно создать альтернативную полупроводникам технологию для обработки информации. В ней сигнал передаётся не потоком электронов, а переключением выстроенных в цепочку молекул, представляющих собой ячейки автомата. Подобные системы будут иметь более низкое энергопотребление и тепловыделение, чем современные транзисторы, а производительность — выше.

По материалам пресс-релиза МФТИ