О спине  (About Spins)

Молекулярный магнетизм: наноуровень управления магнитными свойствами

    1. Мотивация

    Целенаправленный синтез специально спроектированных магнитных молекул был долгое время неисполнимой мечтой химиков и физиков. Только в последние 10 лет удалось разработать и научиться применять необходимые для их изготовления процессы [1]. Со временем эти процессы достигли той степени зрелости, которая позволяет с их помощью конструировать практически любые магнитные молекулы в рамках "химической инженерии" без ограничения и с поразительной методичностью [2, 3]. С появлением первых магнитных молекул для физиков возникло абсолютно новое и неповторимое исследовательское поле. Причина состоит, прежде всего, в том, что химическая структура этих молекул позволяет наблюдать и измерять магнитные свойства отдельных молекул. Физики обязаны этим обстоятельством характерной конструкции молекул: магнитные ионы внедрены в органическую матрицу и окружены большим количеством связанных атомов, таким образом, чтобы максимально подавлять магнитное взаимодействие с соседними молекулами. Это означает, в частности, что измерения в поликристаллических образцах, состоящих из большого количества молекул, позволяют непосредственно определять внутримолекулярные взаимодействия в пределах молекулы. Этот факт является особенно интересным и едва ли можно вообразить, что созданные молекулы являются частично высоко-симметричными, относительно геометрического расположения магнитных ионов [13]. Небольшие, одномерные «квази-системы» с числом ионов железа от 2 [4] до 10 можно встретить так же, как магнитные ячейки с 30 и более парамагнитными центрами [5]. Эти, почти идеальные, "лабораторные системы " позволяют отвечать на основные вопросы  магнетизма: особенно системы с маленьким количеством магнитных ионов и маленькими спиновыми квантовыми значениями позволяют точное квантово-механическое моделирование, которое можно непосредственно сравнивать с экспериментальными результатами [6]. Более того, имеется возможность, изменяя величины симметрии и квантовые значения спина (замещением ионов), производить оценку квантово-механических точных и классических приближенных модельных представлений. Принципиальные вопросы изменения магнитных свойств при переходе от молекулы к твердому телу могут исследоваться так же [7] как технические приложения в нано- и биотехнологиях [2].

    Цель этого научно-исследовательского проекта состоит в том, чтобы  расширить принципиальное понимание в области молекулярного магнетизма, а также найти возможность перехода к новым прикладным областям. Для этого будут проведены как теоретические, так и экспериментальные исследования с рабочими группами в Ames Laboratory и другими.

    Принимая во внимание возрастающее значение информатики для физики, в нескольких немецких университетах внедрены соответствующие учебные программы ("физическая информатика"). Описанные здесь научно-исследовательские проекты имеют своей целью углубить связь обеих дисциплин в исследованиях и обучении. Позднее будут описаны проекты, имеющие в качестве основной цели - физику, другие напротив более сосредотачиваются на информатике.

    Наверх

    2. Подготовка

    В то время, как "производство" магнитных молекул в химических лабораториях идет полным ходом, необходимые для достижения всестороннего понимания физических свойств этих новых молекул экспериментальные и теоретические методы исследования должны быть разработаны физиками. В рамках моей работы [8] и в следующих исследованиях были собраны основные сведения о реальных и смоделированных  спин-системах [5, 9, 10, 11]. Физическое описание моделей базируются на классической модели Гейзенберга (Heisenberg). С помощью разработанных и исследованных на модели Гейзенберга методов оптимизации, связанных с  количеством тепла, в классической спиновой системе возможно очень эффективно определять фундаментальные величины, такие как, динамическую функцию межспиновой корреляции (Spin-Spin) для любых температур и любых системных конфигураций [12]. Сравнения с экспериментальными данными показывают, что для небольших [5], и самых маленьких систем [8] классическое описание дает удивительно хорошие результаты. Теоретические исследования антиферромагнитных связанных систем показали, что при низких температурах происходит медленная коллективная прецессия (движение оси вращения) спиновых систем. Это показывает, что " коллективное поведение " может быть описано в соответствии с законами масштаба [10]. Кроме того, первые прогнозы были поставлены первые прогнозы для экспериментов рассеивания нейтронов, однако их проверка еще ожидается [8].

    Даже если классическое описание имеет свои пределы, то, все же, нужно признать, что в большинстве случаев сегодня только этот способ описания предоставляет возможность делать высказывания о физических свойствах. Принимая во внимание следующие, уже обозримые, технологические шаги, как например, двумерное и трехмерное расположение большого количества молекул, этот инструмент поставляет в настоящее время единственную возможность давать количественные прогнозы. Использование классического способа описания позволяет без проблем имитировать до 10000 и более взаимодействий магнитных фаз, в зависимости от временной динамики температуры. В этой связи уже первые исследования приводили к перемагничиванию и изменению доменных барьеров в комплексных магнитных структурах [8, 14]. Применение детерминистской и стохастической связи количества тепла для сохранения основной динамики вращения является превосходным подходом [8, 15].

    Наверх

    3. Темы исследований

    3.1 Динамика вращения в магнитных молекулах

    В рамках совместных работ с университетами Оснабрюка (Osnabrück) и Билефельда (Bielefeld) и Ames Laboratory в Айове проводятся, в частности, моделирования для определения таких статических свойств как чувствительность и специфическая теплота. Результаты показали, что классическое описание дает удивительно хорошие соответствия с экспериментами и представляет, таким образом, надежный инструмент в этой исследуемой области  [5]. Наряду со статическими магнитными свойствами динамические свойства имеют  большое значение для физического понимания магнитных молекул. Фундаментальная величина в этой связи - это зависимая от времени и температуры функция корреляции спин-спин, которая "кодирует" все динамические свойства, как например «спиновый волновой толчок» (Spinwellenanregungen). С помощью этой величины можно делать предсказания для экспериментов по стабильности нейтронов и NMR-экспериментов.
    Теперь актуальные исследования, которые проводятся вместе с профессором Маршаллом Лубаном из Амеса (Prof. Marshall Luban (Ames), доктором Юргеном Шнаком из Оснабрюкка (Dr. Jürgen Schnack (Osnabrück) и т.п., занимаются влиянием магнитных полей на статические и динамические физические свойства магнитных молекул.
    Исследованные до сих пор системы могли описываться изотропной моделью Гейзенберга (Heisenberg), учитывая взаимодействие ближне-соседнего-взаимодействия. До сих пор влияние таких эффектов как анизотропия, диполь-дипольные взаимодействия и т.д. практически не учитывались и должны стать предметом последующих исследований.
    Хотя классическая динамика вращения дает ценные результаты, для систем из парамагнитных ионов с небольшими значениями квантов вращения необходимо проводить специальные квантово-механические расчеты. В рабочей группе доктора Юргена Шнака из Оснабрюкка проводятся соответствующие исследования, которые особенно изучают возможность влияния тепловой проводимости в квантово-механических системах [16].

    Наверх

    3.2 Эффективные методы моделирования для термодинамических исследований в комплексных спиновых (вращательных) системах.

    В области молекулярно-динамичных методов моделирования при исследовании материала имеется несколько известных и новых многообещающих разработок [8]. Опыт показал, что самые эффективные методы представляют собой комбинации различных методов моделирования. Эти гибридные методы объединяют преимущества нескольких методов, чтобы помочь определять термодинамические свойства более точно и более быстро. В рамках этого основного вопроса исследования совершенствования и оптимизации, существующих детерминистских и стохастических методов должны проводиться, разрабатываться и исследоваться новые методы. Цель этих исследований - предоставить набор оптимизированных методов для разных предметных областей.

    Наряду с вопросами физического моделирования эффектов теплопроводности, основным вопросом, относящимся к аспектам информатики является: исследование стратегии  параллельных методов и новые возможности  использования распределенных компьютерных вычислений. Показательным примером является проект SETI@Home, упомянутый здесь [17].

    Наверх

    3.3 Приблизительное описание комплексного устройства молекул.

    Проведенные до сих пор работы являются по существу фундаментальными исследованиями и, все же, возможности применения их результатов уже просматриваются в самых различных областях. Прежде всего - привлекает возможность использования магнитных молекул для новых, высокоинтегрированных электронных компонентов. Для этого необходимо проводить соответствующие экспериментальные и теоретические исследования. Предпосылки для экспериментальных работ содержат, в частности, развитие воспроизводимой технологии с тестовыми структурами, как например, регулярно расположенные молекулы на поверхностях, которые можно производить и изменять. Наконец, измерение этих структур с помощью туннельно-растровых микроскопов позволяет определять их характеристику. С теоретической стороны моделирование таких комплексных структур представляет проблему. В ходе подготовительных работ имеются многообещающие результаты, которые нужно продолжать изучать.

    Наверх

      3.3.1 Микромагнетизм в сложных молекулярных структурах.

      Микромагнетизм представляет невероятно важную и захватывающую сферу деятельности в области вычислительной физики (Computational Physics). В рамках этой исследуемой области необходимо разработать методы, для исследования статических и динамических микромагнитных явлений. Как со стороны фундаментальных исследований, так и с прикладной стороны (ключевое слово: магнито-электроника) существует большой интерес к предсказанию магнитных структур (например, доменных барьеров), а также в динамическом исследовании процессов перемагничивания. Теория микромагнетизма представляет важный связь между процессами в атомном масштабе и мезо- и макроскопическими явлениями.

      Наверх

      3.3.2 Визуализация моделей вращательной динамики.

      В рамках действующих работ выявилось, что визуализация статических и динамических результатов существенно помогает пониманию  того, что лежит в основе физических процессов. Таким образом, к примеру, трехмерные изображения спинового порядка (Spinordnungen) могли поставлять сведения об "основном состоянии" магнитных молекул [5, 8]. При исследованиях  микромагнетизма визуализация - необходимое средство, для изучения, например, динамики доменных барьеров в моделях [8, 14]. Кроме того, весь ряд наглядных диаграмм и анимаций для пояснения принципов магнетизма может производиться с помощью уже существующих программ визуализации [19]. Применяемые до сих пор методики пока не особенно эффективны; с другой стороны, в литературе описан большой ряд методов  визуализации трехмерных наборов данных, которые должны исследоваться для этих целей и применяться. Наряду с исследовательскими аспектами эти результаты нужно применять, в частности, для поддержки лекций и практических курсов. Таким образом, соответствующие "инструментальные средства" могли бы применяться, например, в рамках курса "практическое моделирование".

      Наверх

    3.4 Исследования в квантовой информатике

    В начале 80-х годов Рихард Фейнман (Richard Feynman) понял, что определенные квантово-механические эффекты не могут эффективно моделироваться с помощью "классических" компьютеров [20]. Это наблюдение приводило к предположениям, что, вероятно, вычисления гораздо эффективнее могут проводиться, если они используют квантовые эффекты. Это предположение недавно подтвердилось после опубликования Петером Шором (Peter Shor) своего квантового алгоритма  разложения на множители целых чисел  [21]. Недавно IBM удавался даже экспериментальный прорыв в квантовой информатике. Химики при IBM разработали магнитную молекулу, которая содержит 5 ионов фтора и 2 иона углерода, ядерные коды которых так друг с другом взаимодействуют, что они образуют так называемый «Кубит» (Qubit). Этот "квантовый бит", может псевдо-программироваться с помощью аппаратуры NMR [22].
    В целом это захватывающий комплекс тем, охватывающий фундаментальные исследования как в области физики, так и информатики, образует сенсационные возможности применения магнитных молекул. Теоретические и экспериментальные достижения обеспечивают широкие возможности в этой области исследования.

    Наверх

    4. План работы и наши действия

    В качестве отправной точки имеется полностью функционирующее и удобное программное приложение. Оно позволяет продолжать существующие проекты и начинать новые во всех вышеназванных исследуемых областях. Из описанных поставленных вопросов можно извлекать темы дипломных работ и докторских диссертаций с разными степенями сложности, так что для студентов всех учебных программ могут быть предложены привлекательные возможности для сотрудничества. В частности, можно определять работы с информатикой в качестве основной темы, в которых найдут представление самые новые методы в развитии системотехники и разработки программного обеспечения.
    Представленные исследовательские темы тематически и технически тесно связаны. Целью является использовать полученные физические, методические и технические сведения из каждой исследовательской темы для создания структурированной "базы знаний", чтобы иметь возможность гарантировать, что соответствующее знание сохранится и не пропадает с уходом сотрудников.

    Наверх

    5. Международное сотрудничество.

    Представленные выше работы проводятся в рамках международного сотрудничества. Ames Laboratory в Айове принадлежит к ведущим исследовательским учреждениям в США.  Лаборатория принадлежит к Университету штата Айова и выполняет наряду с его исследовательскими задачами соответствующие учебные задания. На основе существующего долгосрочного и интенсивного сотрудничества с Ames Laboratory, имеется возможность, чтобы проводить фундаментальные и прикладные дипломные работы и докторские диссертации в открытом и междисциплинарном контексте. Реклама и углубление культурного и научно-технического обмена с американскими научными учреждениями, а также интеграция в существующие учебные программы в форме семестра учебы за границей, могли бы иметь  большое значение для расширения существующего ассортимента исследований и ускорять в целом их интернационализацию.

    Наверх

    6. Литература

    [1] D. Gatteschi, Molecular magnetism: A basis for new materials, Adv. Mater. 6 (1994) 635

    [2] Molecular magnetism: From molecular assemblies to the devices, ed. by E. Coronado, P. Delhaes, D. Gatteschi, J.S. Miller, NATO ASI Series E, vol. 321, Kluwer Academic Publishing (1996)

    [3] Maßgebliche Arbeiten hierzu werden von Prof. Achim Müller von der Universität Bielefeld durchgeführt (siehe auch [13]).

    [4] A. Lascialfari, F. Tabak, G.L. Abbati, F. Borsa, A. Cornia, D. Gatteschi, Spin dynamics and energy gap of a Fe dimer from susceptibility and 1H NMR, J. Appl. Phys. 85 (1999) 4539

    [5] A. Müller, M. Luban, C. Schröder, R. Modler, P. Kögerler, M. Axenovich, J. Schnack, P. Canfield, S. Bud’ko, N. Harrison, Classical and Quantum Magnetism in Giant Keplerate-type Magnetic Molecules, ChemPhysChem 2 (2001) 517

    [6] M. Luban, F. Borsa, S. Bud'ko, P. Canfield, S. Jun, J. K. Jung, P. Kögerler, D. Mentrup, A. Müller, R. Modler, D. Procissi, B. J. Suh, M. Torikachvili, Heisenberg spin-triangles in {V6}-type magnetic molecules: Experiment and theory, Phys. Rev. B (submitted)

    [7] D. Gatteschi, A. Caneschi, L. Pardi, R. Sessoli, Large clusters of metal ions: The transition from molecular to bulk magnets, Science 265 (1994) 1054

    [8] C. Schröder, Numerische Simulationen zur Thermodynamik magnetischer Strukturen mittels deterministischer und stochastischer Wärmebadankopplung, Dissertation 1999, available at

    [9] M. Luban, C. Schröder, Z. Jang, F. Borsa, Spin dynamics and 1H spin-lattice relaxation in the molecular magnetic ring Fe10, to be published

    [10] M. Luban, C. Schröder, Collective precessional spin modes and scaling in molecular magnets, in preparation

    [11] J. K. Jung, D. Procissi, R. Vincent, B. J. Suh, F. Borsa, P. Kögerler, Chr. Schröder, M. Luban, Proton NMR in the Giant Paramagnetic Molecule {Mo72Fe30}, submitted to Journal of Magnetism and Magnetic Materials

    [12] C. Schröder, An adaptive heat bath coupling method for efficient constant temperature spin dynamics simulations, in preparation

    [13] A. Müller, S. K. Das, E. Krickemeyer, C. Kuhlmann, Polyoxomolybdate Clusters: Giant Wheels and Balls, Inorganic Synthesis (in press)

    [14] C. Schröder, V. Antropov, B. N. Harmon, Magnetization reversal of small particles, available at

    [15] C. Schröder, V. P. Antropov, G. Borstel, B. N. Harmon, Application of Stochastic and Deterministic Methods to Finite Temperature Description of Extended Spin Systems, March Meeting of the American Physical Society 1998, Los Angeles, CA, USA

    [16] D. Mentrup, J. Schnack, Nose-Hoover dynamics for coherent states, Physica A 297 (2001) 337-347

    [17] W. T. Sullivan, III, D. Werthimer, S. Bowyer, J. Cobb, D. Gedye, D. Anderson, A new major SETI project based on Project Serendip data and 100,000 personal computers, Astronomical and Biochemical Origins and the Search for Life in the Universe, Proc. of the Fifth Intl. Conf. on Radioastronomy. 1997

    [18] C. Schröder, Putting some Spin on it … A moving picture tour through the thermodynamics of classical spin systems, Multimedia contribution to the Medienfestival “Bilder aus der Physik”, Göttinger Medienhaus IWF Wissen und Medien, November 2001

    [19] R. Feynman, Simulating physics with computers, International Journal of Theoretical Physics 21, 6&7, (1982) 467-488

    [20] P. Shor, Algorithm for quantum computation: Discrete log and factoring, Proceedings of the 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science (1994) 124-134

    [21] see http://www.research.ibm.com/resources/news/20011219_quantum.shtml, submitted to Nature

    Наверх

     

    http://spin.fh-bielefeld.de/                 

    Copyright © 2005 - 2006 Thomas Hilbig, Prof. Dr. rer. nat. Christian Schröder