Российские ученые предложили инновационный подход в спиновой электронике — применять в качестве проводящего материала молекулярные магнетики, а именно комплексы ионов железа и органических соединений. Переключение молекул между двумя магнитными состояниями поможет создать новые сверхбыстрые устройства спинтроники. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Классическая электроника, использующая токи электронов как носители энергии и информации, подошла к своему пределу. Дальнейшее ускорение движения этих частиц приведет к перегреву устройств, а попытки повысить эффективность, увеличивая количество и плотность элементов, тоже не приносят своих плодов. Спиновая электроника (спинтроника) является одним из наиболее перспективных направлений, способных заменить устаревающую технологию. В ее основе лежит ток не электронов, а спинов — собственных магнитных моментов частиц.

«Чаще всего для построения элементов спинтронных устройств применяют неорганические материалы. Мы же предложили альтернативу — молекулярные магнетики, в нашем случае комплексы железа с органическими соединениями. Такие системы обладают магнитными свойствами, которые можно контролировать, изменяя фрагменты молекулы. Способы их синтеза довольно просты и отработаны, но к ним предъявляют высокие требования, особенно касающиеся возможности существования двух магнитных состояний: высоко- и низкоспинового. В первом материал притягивается магнитным полем, а во втором — практически не взаимодействует с ним. Переключение между состояниями важно для реализации основных функций спинтронных устройств», — рассказывает Валентин Новиков, грантополучатель РНФ, доктор химических наук и заместитель директора по научной работе в ИНЭОС РАН.

В своей работе исследователи Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова (Москва) и Московского физико-технического института (Москва) вместе с испанскими коллегами продемонстрировали, что комплексы железа с органическими молекулами удовлетворяют этим требованиям. Авторы создали модель, в которой проводящий материал представляет собой цепи из комплексов органических молекул с двумя ионами железа.

Каждый из ионов может находиться в двух состояниях — низко- или высокоспиновом, соответственно получается четыре суммарных варианта: либо когда оба иона низко- или высокоспиновые, либо когда они имеют отличные состояния. Динамику перехода между последними исключительно сложно обнаружить, поскольку состояния являются симметричными друг относительно друга. Авторы смогли ее зафиксировать, применив экзотический парамагнитный вариант классической спектроскопии ядерного магнитного резонанса — обычно для соединений в высокоспиновом состоянии этот метод не применяют, поскольку разобраться в получаемых спектрах очень сложно из-за непредсказуемого сдвига и уширения сигналов. Тем не менее, именно такие сдвиги линий и помогли ученым впервые обнаружить подобный спиновый переход.

«Изученные нами системы представляют интерес для внедрения так называемых молекулярных клеточных автоматов — устройств, потенциально позволяющих создать альтернативную полупроводникам технологию для обработки информации, характеризующуюся низким энергопотреблением и тепловыделением. Такой спиновый переход является типичным примером молекулярной бистабильности и может быть положен в основу устройств хранения информации в будущем. Решение указанной проблемы внесет важный вклад в одно из приоритетных направлений развития науки — создание новых типов функциональных материалов для техники и технологий, в первую очередь — для использования в качестве компонентов молекулярной электроники: наноразмерных сенсоров, переключателей и логических устройств», — отметил Валентин Новиков.