एकल-अणु चुंबक

एक एकल-अणु चुंबक (एसएमएम) एक धातु-कार्बनिक यौगिक है जिसमें आणविक पैमाने पर एक निश्चित सुपरपरामैग्नेटिक#खंडिंग तापमान के नीचे सुपरपरामैग्नेटिक व्यवहार होता है। इस तापमान सीमा में, एक एसएमएम विशुद्ध रूप से आणविक उत्पत्ति के चुंबकीय हिस्टैरिसीस को प्रदर्शित करता है। पारंपरिक स्थूल चुंबक और अणु-आधारित चुंबक के विपरीत, चुंबकीय क्षणों की सामूहिक लंबी दूरी की चुंबकीय व्यवस्था आवश्यक नहीं है।

हालांकि शब्द एकल-अणु चुंबक पहली बार 1996 में नियोजित किया गया था, पहला एकल-अणु चुंबक, [एमएन12O12(ओएसी)16(एच2ओ)4] (उपनाम एमएन12) 1991 में रिपोर्ट किया गया था।  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. चुंबकीय स्मृति में अनुप्रयोगों को सक्षम करने के लिए इस क्षेत्र में प्रयास मुख्य रूप से एकल-अणु चुंबक 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 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 हालिया त्वरण के परिणामस्वरूप एकल-अणु चुंबक ऑपरेटिंग तापमान में 70 K से ऊपर की महत्वपूर्ण वृद्धि हुई है।

चुंबकीय विश्राम का अरहेनियस व्यवहार
एकल-अणु चुम्बकों के चुंबकीय असमदिकता के कारण, चुंबकीय क्षण में सामान्यतः 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:

$$\tau^{-1} = \tau_0^{-1}\exp\left ( \frac{-U_{eff}}{k_BT} \right )$$ 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 सामान्यतः 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 # खंडिंग 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। 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 सामान्यतः एक संबंध होता है। एसएमएम के लिए औसत अवरोधक तापमान 4K है। डाई-मेटालोसेनियम लवण तरल नाइट्रोजन की तुलना में चुंबकीय हिस्टैरिसीस के उच्चतम तापमान को प्राप्त करने के लिए सबसे हालिया एसएमएम हैं।

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


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

कहाँ $$J_{i,j}$$ प्रचक्रण i के बीच युग्मन स्थिरांक है (ऑपरेटर $$\mathbf{S}_i$$) और प्रचक्रण जे (ऑपरेटर $$\mathbf{S}_j$$). सकारात्मक J के लिए युग्मन को फेरोमैग्नेटिक (प्रचक्रण का समानांतर संरेखण) कहा जाता है और नकारात्मक J के लिए युग्मन को एंटीफेरोमैग्नेटिक (प्रचक्रण का एंटीपैरल समानांतर संरेखण) कहा जाता है: एक उच्च प्रचक्रण (भौतिकी) जमीनी अवस्था, एक उच्च शून्य क्षेत्र विभाजन | शून्य-क्षेत्र-विभाजन (उच्च चुंबकीय असमदिकता 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-प्रचक्रण ऊर्जा कुओं में से एक में फंसाया जा सके।

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

प्रदर्शन
एकल-अणु चुम्बकों का प्रदर्शन सामान्यतः 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। 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

धातु पुंज
धातु समूहों ने एकल-अणु चुंबक अनुसंधान के पहले दशक-प्लस का आधार बनाया, जिसकी उत्पति एकल-अणु चुंबक, एमएन के मूलरूप से हुई12. यह संकुल एक बहुधातु मैंगनीज (Mn) संकुल है जिसका फॉर्मूला [Mn12O12(ओएसी)16(एच2ओ)4], जहाँ OAc का अर्थ एसीटेट है। इसमें अवरुद्ध तापमान के नीचे उनके चुंबकीयकरण की बेहद धीमी छूट दिखाने की उल्लेखनीय गुणधर्म 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। एकल-अणु चुम्बक भी लोहे के पुंजों पर आधारित होते हैं क्योंकि उनके पास संभावित रूप से बड़े प्रचक्रण अवस्था हैं। इसके अतिरिक्त, बायोमोलिक्यूल फेरिटिन को भी एक नैनो-चुंबक माना जाता है। पुंज 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 संकुल [Fe4(एसएई)4(मेओएच)4] Fe(II) पुंज को सम्मिलित करने वाले एकल-अणु चुंबक का पहला उदाहरण था, और इस संकुल 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 क्षण 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 मिनिमा होती है, जिसमें चुंबकीय असमदिकता बाधा 3 meV 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 असमदिग्वर्ती होने की दशा के कारण, एकल-अणु चुंबक चुंबकीय भंडारण के लिए सम्भवतः सबसे छोटी व्यावहारिक इकाई की प्राप्ति का प्रतिज्ञा करते हैं, और इस प्रकार एक परिकलक जितना के लिए संभावित इमारत खंड हैं। परिणामस्वरूप, कई समूहों ने अतिरिक्त एकल-अणु चुम्बकों के संश्लेषण में महान प्रयास किए हैं।  परिमाण कम्प्यूटिंग के लिए एकल-अणु चुंबक को संभावित इमारत खंड माना जाता है। एक 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 देती है जो बाहरी 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। एक 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। अधिस्थापन सिद्धांत और स्वतंत्र प्रचक्रण का हस्तक्षेप शास्त्रीय गणना कलन विधि और प्रश्नों के और सरलीकरण के लिए भी अनुमति देता है।

सैद्धांतिक रूप से, परिमाण परिकलक शास्त्रीय परिकलकों द्वारा प्रस्तुत भौतिक सीमाओं को कोडन और विकोडन परिमाण अवस्था 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 डेटा 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 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।

SMM 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 हस्तांतरण के विशिष्ट मोड में एक अन्य पठनीय माध्यम में डीवीडी सम्मिलित है, जैसा कि एमएन के साथ दर्शाया गया है12 पॉलिमर पर पैटर्न वाले अणु।

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

 * फेरोमैग्नेटिज्म
 * एंटीफेरोमैग्नेटिज्म
 * चुंबकीय असमदिकता
 * एकल-अणु प्रयोग
 * चुंबकत्व
 * सुपरपरमैग्नेटिज्म
 * मैग्नेटोकेमिस्ट्री

बाहरी संबंध

 * Molecular Magnetism Web, Jürgen Schnack