At the crossroads of molecular spin studies and applications

Анотація

У 1996 році були представлені переконливі докази того, що причиною особливої поведінки магнітного гістерезису відомого на той час одномолекулярного магнетика — Mn12-ацетату — є квантове тунелювання намагніченості. Це відкриття багато в чому розширило розуміння молекулярного магнетизму, що стимулювало створення та розвиток безлічі нових систем, зокрема молекул із високоспіновими центрами у вигляді кілець, кластерів та ланцюжків. Ці системи демонструють швидкі тунельні процеси або, навпаки, повільну релаксаційну динаміку, що спонукає до постійного пошуку ідеальних молекулярних магнетиків — молекул із тривалим часом когерентності. Тривалий час когерентності є невід’ємною умовою їх використання як сенсорів, кубітів чи інших квантових пристроїв. Особливий інтерес викликає відкриття чистих і гібридних сполук на основі рідкісноземельних елементів, здатних забезпечувати високу магнітну анізотропію.

Через три десятиліття завдяки спільним зусиллям фізиків та хіміків — експериментаторів і теоретиків — було досягнуто значного прогресу. Дедалі більше досліджень присвячується явищу квантової когерентності в біологічних молекулах із потенційним застосуванням у біосумісних квантових сенсорах, квантовій інформатиці та квантовому штучному інтелекті. Результатом розробок у цьому напрямку стало створення у 2025 році кубітів на основі флуоресцентних білків.

Попри такий прогрес, багато фундаментальних питань залишаються відкритими: зокрема, чи може існувати функціональний одномолекулярний магнетик за кімнатної температури? Паралельно формується нова парадигма у вигляді сміливої гіпотези про те, що в нейронній активності можуть бути задіяні квантові процеси.

Окрім дослідження традиційних магнітних матеріалів на основі перехідних металів або рідкісноземельних елементів, пильна увага знову зосереджується на органічних магнітних молекулах і радикалах. Наприклад, довгоживучі спін-корельовані радикальні пари на основі флавіну — це безметалеві спінові кубітні системи, які уможливлюють біоміметичний підхід до квантової фотосенсорики та відгуку на слабкі магнітні поля.

Журнал Low Temperature Physics/Фізика низьких температур визнав цю нову тенденцію та опублікував спеціальні випуски, присвячені темі: Magnetic materials: from molecules to devices [Low Temp. Phys./Fiz. Nyzk. Temp. 50, Nos. 6, 10 (2024)].

У цьому випуску, At the crossroads of molecular spin studies and applications, ми зібрали значну кількість дослідницьких та оглядових статей, які охоплюють широкий спектр тем: управління спіновою релаксацією в прогностичному підході «знизу вгору» до створення станів квантової суперпозиції та заплутаних спінових станів, їхньої ініціалізації, стабілізації та квантового контролю, зумовленого явищами магнітної анізотропії. Також досліджуються архітектури композитних носіїв спіну та їхнє середовище для підтримки квантової когерентності й ефективного функціонування.

Наступні теми стосуються керування спіном електрона та зворотного зв’язку на різних стадіях прогностичного моделювання:

Підготовка багатоямного спінового виродженого стану та iніціалізація шляхом зняття виродження:

Дослідження релаксації за дуже низьких температур нових молекул на основі рідкісноземельних елементів (A. B. Arauzo, J. Rubín, L. Badía-Romano, J. Luzón, Preface 836 Fizyka Nyzkykh Temperatur/Low Temperature Physics, 2026, vol. 52, No. 7 F. Luis, E. Burzurí, and J. Bartolomé, Very low-temperature magnetic relaxation processes of “butterfly” {Fe₃TbO₂} molecules). Шаруваті кристали йодиду кадмію, які демонструють вплив дефектів планарної анізотропії на люмінесценцію та фототранспорт (M. Rudka and N. Tovstyuk, Peculiarities of charge transfer in layered crystals of cadmium iodides). Хіральні графенові нанострічки, вирощені на моношаровому сплаві EuAu2 на підкладці Au(111), що демонструють легований електронами зарядовий стан (D. Serrate, E. Peláez-Sifonte, F. López-Tejeira, L. Fernández, F. Romero-Lara, K. Vaxevani, and Frederick Schiller, Synthesis of chiral magnetic grapheme nanoribbons on ferromagnetic EuAu₂). Магнітотранспортні властивості Bi_88.08Mn_11.92 та Bi_95.69Mn_3.69Fe_0.62 залежно від різного вмісту магнітної α-BiMn фази (A. V. Terekhov, V. M. Yarovyi, Yu. A. Kolesnichenko, K. Rogacki, E. Lähderanta, E. V. Khristenko, and A. L. Solovjov, Specific features of the magnetic-field dependences of electrical resistivity in Bi–Mn solid solutions with low Mn content). Гібридні органічні та неорганічні матеріали, що включають аніон тетрахлорферрату(III), для демонстрації впливу зміни замісників у катіонах на основі хінолінію (F. Scé, C. Piquer, L. Falvello, I. de Pedro, and J. Campo, Magneto-structural studies in π···π stacking hybrid organic-inorganic compounds based on quinolinium cation and tetrachloroferrate (III) ions). Перехід від діелектричного до металевого та надпровідного станів під дією тиску (W. Pik, S. S. Saxena, and C. R. S. Haines, 10 years of pressure tuning the two-dimensional transition metal phosphorous trichalcogenides (MPX₃): Review and outlook).

Контроль:
Високотемпературна надпровідність, яка виникає зі складного, схильного до безладу ландшафту купратів (E. Yu. Beliayev, Y. K. Mishra, I. A. Chichibaba, I. G. Mirzoiev, V. A. Horielyi, and A. V. Terekhov, Emergent coherence and percolative transport at the edge of magnetism in low-doped La_2-x Sr_xCuO_4-delta). Релятивістський спіновий ефект Холла в Al та Pt — ключовий фактор у спінтроніці (Yu. N. Chiang and M. O. Dzyuba, Relativistic spin Hall effect in an external magnetic field in Al and Pt). Квантовий ефект Зенона (J. G. Esteve and F. Falceto, The Zeno effect in a quantum computer).

Реалізація:
Гібридні надпровідні біологічні молекулярні резонатори та їхня взаємодія (C. del Rio, S. Roca-Jerat, P. Pakulski, J. L. García Palacios, M. C. Pallarés, J. Sesé, D. Pinkowicz, A. Lostao, D. Zueco, and F. Luis, Microwave transmission and dynamical response of three onchip superconducting resonators coupled to the same molecular spin ensemble). Огляд стабільних вільних радикалів семіхінонів флавіну разом із процесами їхнього електронного обміну. Це включає пропозицію щодо проєктування синглет-триплетних кубітів з оптичною ініціацією (V. Sirenko and J. Bartolomé, Biomimetic engineering spin relaxation in flavin radical pairs for singlet–triplet qubits). Електронна структура та магнітні властивості нейтрального семіхінонового стану у флавопротеїнах (I. García-Rubio, M. Martínez-Júlvez, M. Medina, and J. I. Martínez, Flavodoxin: A platform for characterizing the electronic structure and magnetic properties of the neutral semiquinone state in flavoproteins). Пропозиція щодо розробки штучного мозку (P. Mikheenko, Artificial quantum brain: A bold proposal).

Матеріал, зібраний у цьому випуску, відображає широкий спектр розробок у фізиці твердого тіла, фізиці поверхні, молекулярному магнетизмі та біомагнетизмі, що відбулися з моменту вищезгаданого відкриття 1996 року. Сподіваємося, що читачі знайдуть цю оновлену інформацію корисною.