Ansökan: En ny familj molekylära magneter:strukturell och magnetisk karakterisering av själv organiserade monolager

Tidsperiod:

1 juli 2012 – 30 juni 2015

Projektledare:

Rasmus Westerström

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 150 000 SEK

Detta projekt har som mål att använda synkrotronljus för att studera de magnetiska egenskaperna hos en ny typ av molekylära magneter, samt undersöka hur deras egenskaper påverkas när de adsorberas på olika metallytor. Molekylära magneter har fått stor uppmärksamhet eftersom de uppvisar liknande egenskaper som "vanliga" makroskopiska magneter, fast på en molekylär nivå. De här egenskaperna skulle man kunna använda sig av i t.ex. lagringsenheter där informationen lagras i enskilda molekyler.

Magnetismen står i nära samband med en fysikalisk egenskap hos elektronen, nämligen dess spinn. Elektronspinnets riktning anges i relation till det magnetiska fält som elektronen befinner sig i, alternativt till materialets magnetisering. I magnetiska material så är majoriteten utav elektronernas spinn orienterade i samma riktning. Motsatsen gäller för icke-magnetiska material, där spinnens riktning är slumpmässigt riktade. I molekylära magneter så finns det en energibarriär som separerar spinn med olika riktning. När molekylen befinner sig i ett magnetiskt fällt så antar elektronerna bara tillstånd med en specifik riktning på spinnet. När sedan magnetfältet stängs av är molekylen magnetiserad. För att molekylen ska avmagnetiseras måste elektronerna ta sig över energibarriären och därigenom ändra riktningen på sitt spinn. Eftersom det vid låga temperaturer är svårt för elektronerna att ta sig över energibarriären så försvinner magnetiseringen långsamt. Mekanismen bakom uppkomsten av sådana barriärer ska undersökas i projektet. Elektronerna kan också ta en genväg igenom barriären, s.k. tunneling. Möjligheten att "förbjuda" tunneling ska även utforskas. Vid låga temperaturer skulle det kunna leda till att spinnen behåller sin orientering avsevärt längre.

Elektronens laddning har används i elektronikkomponenter under lång tid, men man har först nyligen börjat undersöka möjligheten att utnyttja elektronens spinn i s.k. spinntronik. Tanken är att elektronspinnets två möjliga "riktningar", upp och ner, kan representera en etta eller en nolla, d.v.s. kan utnyttjas som binär information. Eftersom spinnriktningen försvinner långsamt finns det förhoppningar om att man ska kunna använda molekylära magneter i spinntronik t.ex. skulle elektronspinnen kunna användas som en s.k. qubit i kvantdatorer. För att dessa molekyler ska kunna användas i spinntronik, måste man kunna organisera de molekylära magneterna i väldefinierade strukturer på ytor. Ett stort problem är att många av de här molekylerna är så ömtåliga att de inte kan överföras till en yta under ultra högt vakuum utan att gå sönder, vilket är en förutsättning för att kunna studera hur de växelverkar med olika material under väldefinierade förhållanden. Det har resulterat i att väldigt lite är känt om hur de här molekylerna organiserar sig på ytor, och framförallt, om deras magnetiska egenskaper överlever växelverkan med ledande material.

I det här projektet används molekylära magneter som består utav en triangel med tre metall atomer, samt en kväve atom i mitten. Triangeln är omgiven utav en sfär bestående av åttio kolatomer som fungerar som ett skyddande skal. En av fördelarna med de här molekylerna är att de är väldigt stabila och kan överföras till olika metallytor i ultra högt vakuum där de bildar ett periodiskt molekyllager. Hur de här molekylerna organiserar sig, samt hur deras magnetiska egenskaper modifieras när de växelverkar med olika material är ett av huvudmålet med forskningen. En detaljerad kunskap om samspelet mellan elektronspinnen i de molekylära magneterna och metallen är av högsta betydelse både för framtida molekyl baserad elektronik, samt den grundläggande förståelsen för magnetism på nano skalan.