एकल-अणु चुंबक

एकल-अणु चुंबक (SMM) एक धातु-कार्बनिक यौगिक है जिसमें आणविक पैमाने पर एक निश्चित अवरोधक तापमान के नीचे सुपरपरा-चुंबकत्व गतिविधि होती है। इस तापमान सीमा में, एक एसएमएम विशुद्ध रूप से आणविक उत्पत्ति के चुंबकीय शैथिल्य को प्रदर्शित करता है।  परमाणु रहित स्थूल चुंबक और अणु-आधारित चुंबक के विपरीत, चुम्बकीय आघूर्णों की सामूहिक दीर्घ परिसर की चुंबकीय व्यवस्था आवश्यक नहीं है।

हालांकि शब्द "एकल-अणु चुंबक" को पहली बार 1996 में नियोजित किया गया था, पहला एकल-अणु चुंबक, [Mn12O12(OAc)16(H2O)4] (उपनाम "Mn12") 1991 में उद्धृत किया गया था।  इस मैंगनीज ऑक्साइड यौगिक में एक केंद्रीय Mn(IV)4O4 घन है जो 8 Mn(III) इकाइयों के वलयों से घिरा हुआ है जो ऑक्सो संलग्नी को जोड़ने के माध्यम से जुड़ा हुआ है और सीए के तापमान 4 K तक धीमी चुंबकीय शैथिल्थ का व्यवहार प्रदर्शित करती है।

चुंबकीय स्मृतिका में अनुप्रयोगों को सक्षम करने के लिए इस क्षेत्र में प्रयास मुख्य रूप से एकल-अणु चुंबक के प्रचालन तापमान को तरल नाइट्रोजन तापमान या कमरे के तापमान तक बढ़ाने पर ध्यान केंद्रित करते हैं। अवरुद्ध तापमान को बढ़ाने के साथ-साथ, तीव्रता से प्रचक्रण पुनर्संरचना को रोकने के लिए उच्च ऊर्जा अवरोधों के साथ एसएमएम विकसित करने के प्रयास किए जा रहे हैं। अनुसंधान के इस क्षेत्र में अभिनव त्वरण के परिणामस्वरूप एकल-अणु चुंबक प्रचालन तापमान में 70 K से ऊपर की महत्वपूर्ण वृद्धि हुई है।

चुंबकीय शैथिल्थ का आरेनिअस व्यवहार
एकल-अणु चुम्बकों के चुंबकीय असमदिकता के कारण, चुंबकीय आघूर्णों में सामान्यतः केवल दो स्थिर अभिविन्यास होते हैं जो एक दूसरे के समानांतर होते हैं, एक ऊर्जा अवरोध द्वारा पृथक किए जाते हैं। स्थिर अभिविन्यास अणु के तथाकथित "सहज अक्ष" को परिभाषित करते हैं। परिमित तापमान पर, चुंबकत्व के प्रतिवर्न और उसकी दिशा को उत्क्रम की सीमित संभावना होती है। एक सुपरपरा-चुंबकत्व के समान, दो प्रतिवर्न के मध्य के औसत समय को नील शिथिलन समय कहा जाता है और इसे निम्नलिखित नील-आरेनिअस समीकरण द्वारा दिया जाता है:

$$\tau^{-1} = \tau_0^{-1}\exp\left ( \frac{-U_{eff}}{k_BT} \right )$$

जहाँ:


 * τ चुंबकीय शैथिल्थ समय है, या ऊष्मीय उच्चावच के परिणामस्वरूप अणु के चुंबकत्व को अव्यवस्थिततः प्रतिवर्न 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 10−9 और 10−10 सेकंड के मध्य है।
 * Ueff एक "हार्ड प्लेन" के माध्यम से, अन्य सहज अक्ष दिशा में, अपनी प्रारंभिक सहज अक्ष दिशा से आगे बढ़ने वाले चुंबकीयकरण से जुड़ी ऊर्जा अवरोध है। अवरोध Ueff सामान्यतः सेमी−1 या केल्विन में उद्धृत किया जाता है।
 * kB बोल्ट्समान स्थिरांक है।
 * T तापमान है।

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

चुंबकीय अवरोधन तापमान
तथाकथित चुंबकीय अवरोधक तापमान TB, को उस तापमान के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसके नीचे किसी विशेष जांच प्रविधि के समय के पैमाने की तुलना में धीमी हो जाती है। 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 शैथिल्थ समय τ, 100 सेकंड है। यह परिभाषा एकल-अणु चुंबक गुणों की तुलना के लिए वर्तमान मानक है, परन्तु अन्यथा तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण नहीं है। एसएमएम के अवरुद्ध तापमान और ऊर्जा अवरोध को बढ़ाने के मध्य सामान्यतः एक संबंध होता है। एसएमएम के लिए औसत अवरोधक तापमान 4K है। डाई-मेटालोसेनियम लवण तरल नाइट्रोजन की तुलना में चुंबकीय शैथिल्य के उच्चतम तापमान को प्राप्त करने के लिए सबसे नवीनतम एसएमएम हैं।

अंतःअणुक चुंबकीय विनिमय
धातु आयनों के प्रचक्रण के मध्य चुंबकीय युग्मन को अतिविनिमयअन्योन्य क्रिया द्वारा मध्यस्थ किया जाता है और निम्नलिखित समदैशिक हाइजेनबर्ग हैमिल्टनियन द्वारा वर्णित किया जा सकता है:


 * $$\hat{\mathcal H}_{HB} = -\sum_{i<j} J_{i,j} \mathbf{S}_i \cdot \mathbf{S}_j$$

जहाँ $$J_{i,j}$$ प्रचक्रण i के मध्य युग्मन स्थिरांक (प्रचालक $$\mathbf{S}_i$$) और प्रचक्रण j (प्रचालक $$\mathbf{S}_j$$) है। धनात्मक J के लिए युग्मन को लोहचुंबकीय (प्रचक्रण का समानांतर संरेखण) कहा जाता है और ऋणात्मक J के लिए युग्मन को प्रतिलौहचुम्बकीय (प्रचक्रण का प्रतिसमांतर समानांतर संरेखण) कहा जाता है: उच्च प्रचक्रण मूल अवस्था, उच्च शून्य क्षेत्र विभाजन (उच्च चुंबकीय असमदिकता के कारण), और अणुओं के मध्य नगण्य चुंबकीय अन्योन्य क्रिया है।

इन गुणों के संयोजन से एक ऊर्जा अवरोध की उत्पत्ति हो सकता है, ताकि कम तापमान पर सिस्टम को उच्च-प्रचक्रण ऊर्जा कुओं में से एक में फंसाया जा सके।

चुंबकीय शैथिल्थ के लिए अवरोध
एक एकल-अणु चुंबक में एक सकारात्मक या नकारात्मक चुंबकीय क्षण हो सकती है और इन दो अवस्थाओं के मध्य ऊर्जा अवरोध अणु के शैथिल्थ समय को निर्धारित करता है। यह अवरोध अणु की मूल अवस्था के कुल प्रचक्रण और उसके चुंबकीय असमदिकता पर निर्भर करती है। बाद की मात्रा का अध्ययन ईपीआर स्पेक्ट्रोमिकी से किया जा सकता है।

प्रदर्शन
एकल-अणु चुम्बकों का प्रदर्शन सामान्यतः दो मापदंडों द्वारा परिभाषित किया जाता है: चुंबकीय शैथिल्थ को धीमा करने के लिए प्रभावी अवरोध Ueff और चुंबकीय अवरोधन तापमान TB है। 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, Ueff, चुंबकीय शैथिल्थ को धीमा करने के लिए तापीय रोधिका, केवल TB से संबंधित है। जब अणु का चुंबकीय शैथिल्थ व्यवहार प्रकृति में पूर्णतया से अरहेनियस होता है।

नीचे दी गई तालिका प्रतिनिधि को सूचीबद्ध और 100-एस चुंबकीय अवरोधन तापमान और Ueff को उद्धृत करती है। मान जो एकल-अणु चुम्बकों के लिए उद्धृत किए गए हैं। संक्षेप: ओएसी = एसीटेट, Cpttt=1,2,4-त्रि (टर्ट-ब्यूटिल) साइक्लोपेंटैडिएनाइड, CpMe5= 1,2,3,4,5-पेंटा(मिथाइल)साइक्लोपेंटैडिएनाइड, CpiPr4H= 1,2,3,4-टेट्रा (आइसोप्रोपाइल) साइक्लोपेंटैडिएनाइड, CpiPr4Me= 1,2,3,4-टेट्रा (आइसोप्रोपिल)-5-(मिथाइल) साइक्लोपेंटैडिएनाइड, CpiPr4Et= 1-(एथिल)-2,3,4,5-टेट्रा(आइसोप्रोपिल) साइक्लोपेंटैडिएनाइड, CpiPr5= 1,2,3,4,5-पेंटा(आइसोप्रोपाइल) साइक्लोपेंटैडिएनाइड है।

* चुंबकीय रूप से तनु प्रतिरूपों से मापदंडों को इंगित करता है

धातु समूह
धातु समूहों ने एकल-अणु चुंबक अनुसंधान के पहले दशक का आधार बनाया, जिसकी उत्पति एकल-अणु चुंबक,"Mn12" के मूलरूप से हुई थी।   यह परिसर एक बहुधातु मैंगनीज (Mn) परिसर है जिसका सूत्र [Mn12O12(OAc)16(H2O)4], जहाँ ओएसी का अर्थ एसीटेट है। इसमें अवरुद्ध तापमान के नीचे उनके चुंबकीयकरण के अत्यंत मंद शैथिल्थ उल्लेखनीय गुणधर्म है।

[Mn12O12(OAc)16(H2O)4]·4H2O·2AcOH, जिसे "Mn12-एसीटेट" कहा जाता है। इसका एक सामान्य रूप है जिसका प्रयोग शोध में किया जाता है। एकल-अणु चुम्बक भी लोहे के समूहों पर आधारित होते हैं क्योंकि उनके पास संभावित रूप से बड़ी प्रचक्रण अवस्था होती हैं। इसके अतिरिक्त, जैवाणु फेरिटिन को भी एक नैनो-चुंबक माना जाता है। समूह Fe8Br में धनायन Fe8, [Fe8O2(OH)12(tacn)6]8+ के लिए उपस्थित है, जिसमें टैक्न 1,4,7-ट्राइएज़ासाइक्लोनोनेन का प्रतिनिधित्व करता है।

लौहमय घन परिसर [Fe4(sae)4(MeOH)4], Fe(II) समूहों को सम्मिलित करने वाले एकल-अणु चुंबक का प्रथम उदाहरण था और इस परिसर का कोर वैकल्पिक कोनों पर Fe और O परमाणुओं के साथ थोड़ा विकृत घन है। उल्लेखनीय रूप से, यह एकल-अणु चुंबक गैर-समरेख चुंबकत्व प्रदर्शित करता है, जिसमें चार Fe परमाणुओं के परमाणु प्रचक्रण आघूर्ण विपरीत दिशाओं में दो लगभग लंबवत अक्षों के साथ इंगित करते हैं। 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 प्रचक्रण-कक्षा-युग्मन संभावित ऊर्जा सतह में तीन स्थानीय ऊर्जा न्यूनतम होती है, जिसमें चुंबकीय असमदिकता अवरोध 3 एमईवी के ठीक नीचे होती है।

अनुप्रयोग
कई खोजे गए प्रकार और संभावित उपयोग हैं। एकल-अणु चुंबक नैनो-चुंबक (नैनोस्केल चुंबकीय कण) के लिए एक आणविक दृष्टिकोण का प्रतिनिधित्व करते हैं।

सामान्यतः बड़े, द्वि-स्थिर प्रचक्रण असमदिकता के कारण, एकल-अणु चुंबक चुंबकीय स्मृतिका के लिए सम्भवतः सबसे छोटी व्यावहारिक इकाई की प्राप्ति का प्रतिज्ञा करते हैं और इस प्रकार परिमाण परिकलक के लिए संभावित इमारत खंड हैं। परिणामस्वरूप, कई समूहों ने अतिरिक्त एकल-अणु चुम्बकों के संश्लेषण में प्रमुख प्रयास किए हैं। एकल-अणु चुंबकों को परिमाण परिकलकों के लिए संभावित इमारत खंडों के रूप में माना जाता है। एकल-अणु चुंबक स्पष्ट रूप से परिभाषित निचले स्तर के ऊर्जा स्तरों के साथ कई अंतःक्रियात्मक प्रचक्रणों की एक प्रणाली है। एकल-अणु चुंबक की उच्च समरूपता प्रचक्रण के सरलीकरण की अनुमति प्रदान करती है जो बाह्य चुंबकीय क्षेत्रों में नियंत्रणीय हो सकती है। एकल-अणु चुंबक प्रबल असमदिकता प्रदर्शित करते हैं, एक गुणधर्म जो एक सामग्री को विभिन्न प्रचक्रणों में गुणों की भिन्नता को मानने की अनुमति देती है। असमदिकता यह सुनिश्चित करता है कि परिमाण अभिकलन अनुप्रयोगों के लिए स्वतंत्र प्रचक्रण का संग्रह लाभकारी होगा। एकल प्रचक्रण की तुलना में बड़ी मात्रा में स्वतंत्र प्रचक्रण, एक बड़ी कक्षा के निर्माण की अनुमति देता है और इसलिए स्मृति का एक बड़ा संकाय है। अधिस्थापन सिद्धांत और स्वतंत्र प्रचक्रण का हस्तक्षेप शास्त्रीय गणना कलन विधियों और प्रश्नों के और सरलीकरण के लिए भी अनुमति प्रदान करता है।

सैद्धांतिक रूप से, परिमाण परिकलक शास्त्रीय परिकलकों द्वारा प्रस्तुत भौतिक सीमाओं को कोडन और विकोडन परिमाण अवस्थाओं द्वारा दूर कर सकते हैं। परिमाण खोज सिद्धांत, ग्रोवर के कलन विधि के लिए एकल-अणु चुंबक का उपयोग किया गया है। परिमाण खोज समस्या सामान्यतः एक विशिष्ट तत्व के लिए एक अनियंत्रित आँकड़ासंचय से पुनर्प्राप्त करने का अनुरोध करती है। शास्त्रीय रूप से तत्व को N/2 प्रयासों के बाद पुनः प्राप्त किया जाएगा, हालांकि एक परिमाण खोज तत्व को पुनः प्राप्त करने के लिए आकड़ों के अधिस्थापन का उपयोग करती है, सैद्धांतिक रूप से खोज को एक परिप्रश्न में कम कर देती है। एकल आणविक चुम्बकों को उनके स्वतंत्र प्रचक्रणों 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 प्रचक्रण अणु चुंबक Mn12 और Fe8 के आघूर्ण को बढ़ाने के लिए स्फटिक का उपयोग किया गया। Mn12 और Fe8 और दोनों लगभग 10−10 सेकंड के पुनर्प्राप्ति समय के साथ मेमोरी संग्रहण के लिए आदर्श पाए गए।

एसएमएम Fe4 के साथ सूचना भंडारण के लिए एक अन्य दृष्टिकोण में तटस्थ से आयनिक तक अवस्था संक्रमण के लिए गेट वोल्टता का अनुप्रयोग सम्मिलित है। विद्युतीय रूप से द्वारित आणविक चुम्बकों का उपयोग कम समय के पर्यन्त प्रचक्रणों के समूह पर नियंत्रण का लाभ प्रदान करता है। सुरंगन सूक्ष्मदर्शी अग्रभाग या पट्टी-रेखा का उपयोग करके विद्युत क्षेत्र को एसएमएम पर अनुप्रयुक्त किया जा सकता है। चालन में संबंधित परिवर्तन चुंबकीय अवस्थाओं से अप्रभावित हैं, यह सिद्ध करते हुए कि अवरुद्ध तापमान की तुलना में सूचना भंडारण बहुत अधिक तापमान पर किया जा सकता है। सूचना स्थानान्तरण के विशिष्ट प्रणाली में डीवीडी को एक अन्य पठनीय माध्यम में सम्मिलित किया जाता है, जैसा कि बहुलक पर Mn12 प्रतिरूप वाले अणुओं के साथ दर्शाया गया है।

एसएमएम के लिए एक अन्य अनुप्रयोग चुंबक ऊष्मीय प्रभाव प्रशीतक में है। प्रायोगिक डेटा का उपयोग करने वाला एक यंत्र अधिगम 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। एंट्रॉपी गुणों में योगदान करने वाली मुख्य एसएमएम विशेषताओं में आयाम और समन्वय संलग्नी सम्मिलित हैं।

इसके अतिरिक्त, एकल-अणु चुम्बकों ने परिमाण यांत्रिकी के अध्ययन के लिए भौतिकविदों को उपयोगी परीक्षण संस्तर प्रदान किए हैं। चुंबकन की स्थूलदर्शित परिमाण सुरंगन को पहली बार Mn12O12 में देखा गया था, जिसे शैथिल्य वक्र में समान दूरी वाले चरणों द्वारा दर्शाया गया था। यौगिक Fe8 में इस सुरंगन दर की आवधिक शमन को ज्यामितीय चरणों के साथ देखा और समझाया गया है।

यह भी देखें

 * लोहचुंबकत्व
 * प्रतिलोहचुंबकत्व
 * चुंबकीय असमदिकता
 * एकल-अणु प्रयोग
 * चुंबकत्व
 * सुपरपरा-चुंबकत्व
 * चुंबक रसायन

बाहरी संबंध

 * Molecular Magnetism Web, Jürgen Schnack