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- Els imants monomoleculars o molècules imant són sistemes en els quals es pot obtenir magnetització i histèresi magnètica (normalment, a temperatures extremadament baixes), no pas amb un ordenament magnètic tridimensional, sinó per un fenomen purament monomolecular. El nom d'imant no és estrictament adequat, ja que els imants reals impliquen un nombre molt gran de centres acoblats. No obstant això, la comunitat científica l'ha adoptat per ser evocatiu de les propietats magnètiques d'aquest tipus de molècules. Els imants moleculars són interessants tant des d'un punt de vista purament teòric, pel seu comportament quàntic, i des d'un punt de vista pràctic (encara en etapa especulativa) tant com a candidats a qubits per computació quàntica, com per a refredar sistemes a temperatures molt baixes (per sota d'1 K). (ca)
- Ein Einzelmolekülmagnet, im Englischen als „Single-Molecule Magnet“ (SMM) bezeichnet, ist ein Molekülkomplex aus einem oder mehreren Metallionen und organischen Liganden mit einem Gesamtspin, wobei die Ausrichtung des Gesamtspins bei hinreichend tiefen Temperaturen unterhalb der „Blocking Temperature“ über eine gewisse, temperaturabhängige Zeit stabil ist. Als „Blocking Temperature“ wird die Temperatur definiert, oberhalb derer keine Gesamtmagnetisierung innerhalb eines Zeitfensters beobachtet werden kann. Man bezeichnet entsprechende magnetische Systeme als Superparamagnete. Ferromagnete sind Materialien mit lokalen Spins mit fester, bevorzugter Ausrichtung (Anisotropie). Die Ausrichtung bzw. Magnetisierung wird durch eine langreichweitige Kopplung unterhalb einer kritischen Temperatur erzielt. Im Gegensatz dazu sind in superparamagnetischen Materialien die langreichweitigen Kopplungen aufgebrochen, z. B. durch die Partikelgröße (klassische Superparamagnete). Aufgrund der Anisotropie gibt es weiterhin eine bevorzugte Ausrichtung, die aber nun zeitlich schalten kann. Man spricht dabei von einer magnetischen Relaxation. Die magnetische Relaxation erfolgt über eine spontane Änderung der Ausrichtung des Gesamtspins. Die Anisotropie entspricht dabei der Energiebarriere , die beim Schaltvorgang zu überwinden ist. Die Energiebarriere ist definiert als mit der Anisotropieenergiedichte und dem Volumen. Für klassische Superparamagnete ergibt sich aus der Boltzmann-Statistik die Néel-Lebensdauer des Gesamtspins zu mit die Boltzmann-Konstante und der Versuchszeit (aus dem Néel-Relaxations Modell) . Ein Einzelmolekülmagnet ist ein spintragendes Molekül, dessen Gesamtspin , bedingt durch die strukturelle Geometrie des Moleküls (siehe auch Kristallfeld- und Ligandenfeldtheorie), eine bevorzugte Ausrichtung (Anisotropie) hat und bedingt durch seine Größe, die Ferromagnetismus ausschließt, Superparamagnetismus zeigt. Die Energiebarriere kann nun geschrieben werden als mit als materialspezifische und experimentell bestimmbare Nullfeldaufspaltung. Das heißt, dass dieses Molekül in einem Magnetfeld magnetisiert werden kann und diese Magnetisierung nach Abschalten des Feldes für eine gewisse Zeit beibehält. In Einzelmolekülmagneten ist der Superparamagnetismus die Eigenschaft des Einzelmoleküls und unabhängig von seiner Umgebung. Entsprechend sind Messungen der magnetischen Hysterese nicht nur von der Temperatur abhängig, sondern auch von der Messgeschwindigkeit. Somit kann man Einzelmolekülmagnete in andere Stoffe, zum Beispiel Kunststoffe, einbetten, und der Effekt des Superparamagnetismus bleibt erhalten. In der experimentellen Untersuchung der Néel-Lebensdauer in Abhängigkeit von der Temperatur wurde aber festgestellt, dass für Einzelmolekülmagnete bei tiefen Temperaturen der bekannte Zusammenhang zwischen Lebensdauer und Temperatur nicht mehr allgemein gültig ist. Zusätzlich wurde eine weitere Ursache für spontane Relaxation identifiziert, die als Quantentunneln der Magnetisierung in der Literatur bezeichnet wird. Die Ursache für die Abweichung ist, dass die Spinachse keine echte Quantisierungsachse ist, sondern, durch die Kopplung des Spins an das Bahnmoment, die Achse der Gesamtdrehimpulsquantenzahl. Daraus ergibt sich, dass Zustände mit umgekehrten Gesamtspin eine Überlappung der Elektronenwellfunktionen haben, und man spricht dabei von einer transversalen Anisotropie. Durch die Überlappung der Wellenfunktionen kann daher ein Schalten der Magnetisierung nicht nur durch ein thermisch angeregtes Schalten über die Energiebarriere, sondern auch durch ein temperaturunabhängiges Tunneln durch die Barriere erfolgen. Charakteristisch für Einzelmolekülmagnete ist das Vorhandensein eines Spinzentrums, das in einer organischen Ligandstruktur, das das Spinzentrum gegenüber äußeren Einflüssen abschirmt, eingebunden ist. Das Spinzentrum kann ein einzelnes Metallion sein, bekanntes Beispiel ist ein Terbiumion in Tb-Phthalocyanin2 (TbPc2) oder auch aus vielen gekoppelten Spins räumlich separierter Spinzentren bestehen, wie in Mn12-Acetat. Prinzipiell bestehen keine Grenzen bei der Wahl der spintragenden Zentren, der Beschaffenheit der Liganden noch der Größe. Notwendig ist aber, dass die spintragenden Elektronen nur schwach mit denen der Liganden kommunizieren, da dieses zum Quantentunneln der Magnetisierung beiträgt. Insoweit haben alle bekannten Einzelmolekülmagnete metallische Ionen als Spinzentren mit stark lokalisierten Elektronen wie 4f-Elektronen in TbPc2, die geringe Wechselwirkung mit den organischen Liganden zeigen. Auch ergibt sich daraus eine Begrenzung bzgl. der Anzahl gekoppelter Spinzentren. Die Kopplung von mehreren Spinzentren, die die Energiebarriere für thermisch angeregtes Schalten in vorteilhafter Weise erhöht, setzt eine Spin-Spin Wechselwirkung über organische Bestandteile voraus, die wiederum auch die Rate des unvorteilhaften Quantentunneln der Magnetisierung erhöht. Aktuelle Forschung in diesem Bereich ist darauf fokussiert, molekulare Strukturen zu synthetisieren, in denen die Energiebarriere maximiert wird, ohne die Rate des Quantentunnelns zu erhöhen. Die Stoffgruppe ist interessant, weil es sich um echte Nanomaterialien mit einer Größe von einigen Nanometern handelt und sich Effekte wie z. B. der Magnetismus, sich einerseits streng quantenmechanisch, andererseits nach den Gesetzen der klassischen Physik verhalten. Das heißt, diese Moleküle bewegen sich im Grenzbereich dieser beiden Gebiete der Physik. (de)
- Los imanes monomoleculares (en inglés, single-molecule magnet) o moléculas imán son sistemas en los que se puede obtener magnetización e histéresis magnética (normalmente, a temperaturas extremadamente bajas), no a través de un ordenamiento magnético tridimensional, sino por un fenómeno puramente monomolecular. El nombre de imán no es estrictamente adecuado, ya que los imanes reales implican a un número muy grande de centros acoplados. Sin embargo, la comunidad científica lo ha adoptado por ser evocativo de las propiedades magnéticas de este tipo de moléculas. Los requisitos que se citan comúnmente para que un sistema se comporte así son:
* un estado fundamental con un espín de valor elevado
* un desdoblamiento a campo cero alto (debido a una alta anisotropía magnética) La combinación de estas propiedades pueden llevar a una barrera energética tal que, a bajas temperaturas, el sistema quede atrapado en uno de los valles energéticos de alto espín. Los imanes moleculares exhiben un producto de susceptibilidad magnética por temperatura que crece al bajar la temperatura, y pueden ser caracterizados por un desplazamiento, tanto en posición como en intensidad, del pico en susceptibilidad magnética a.c.. El primer imán molecular fue el Mn12, un complejo dodecanuclear de manganeso, que se mantiene por puentes oxo y aniones acetato; actualmente existen una multitud de sistemas y estrategias para desarrollarlos, no solo con metales de transición sino también con lantánidos. Los imanes moleculares son interesantes tanto desde un punto de vista puramente teórico, por su comportamiento cuántico, y desde un punto de vista práctico (aún en etapa especulativa) tanto como candidatos a qubits para computación cuántica, como para enfriar sistemas a temperaturas muy bajas (por debajo de 1 K). (es)
- Un aimant monomoléculaire ou nano-aimant moléculaire, appelé aussi SMM, de l'acronyme anglais Single Molecule Magnet, est une molécule faisant partie des composés de coordination qui a un comportement superparamagnétique: c'est un aimant uniquement en dessous d'une certaine température dite de blocage. Les aimants monomoléculaires sont des macromolécules, c'est-à-dire composés de 100 à 1 000 atomes. Bien que découverts en 1993, nommés en 1996, l'idée du premier aimant monomoléculaire fut décrite en 1980. Ils présentent quelques centres magnétiques couplés et isolés de l’environnement extérieur par des ligands volumineux (souvent des ligands organo-carboxylate). Le cœur magnétique est le plus souvent constitué de métaux de transition, les ponts permettant une interaction d'échange entre ces différents constituants sont souvent des composés oxygénés tels que O2−, OH−, OR− ou encore RCO2. Ils donneront naissances aux aimants mono-ioniques, ou Single-Ion Magnets (SIMs) en anglais. Bien que plusieurs centaines d'articles ont été rédigés sur les SMMs et les SIMs, ils ne sont pas encore utilisés industriellement, leur comportement n'apparaissant qu'à de trop faibles températures, en-dessous de la température d'ébullition de l'azote liquide (77 kelvins). Ces molécules présentent, en dessous de leur température de blocage, une lente relaxation de l'aimantation d'origine purement moléculaire. Elles peuvent être magnétisées par un champ magnétique extérieur et conserveront cette aimantation même après coupure du champ magnétique. On appelle cela la mémoire magnétique. Par exemple, pour le , après avoir coupé le champ magnétique pendant 4 mois, l'aimantation de la molécule, laissée à 2 kelvins, est toujours présente à 40% de sa valeur de saturation. Si l'on fait le même protocole à 1.5 kelvin, il faudra attendre 40 ans pour obtenir le même résultat (toujours pour le ). Cette propriété est propre à la molécule même, aucune interaction entre molécules n'est nécessaire. L'ordre à longue portée des moments magnétiques n'est pas nécessaire, et le comportement caractéristique du magnétisme moléculaire apparaît même lorsque la molécule est très diluée. C'est une différence notable face aux aimants conventionnels. On peut ainsi dissoudre une SMM dans un solvant diamagnétique et elle montrera toujours cette propriété. Cette lente relaxation de l'aimantation donne lieu à un phénomène d'hystérésis, similaire à ceux observés avec les aimants conventionnels, mais ici d'origine moléculaire : il devient donc possible de stocker de l'information dans une seule molécule. Les SMMs combinent les avantages de l'échelle moléculaire, et les propriétés quantiques qui vont avec, aux propriétés magnétiques classiques des aimants macroscopiques conventionnels. Elles possèdent ainsi un grand éventail de propriétés quantiques, allant de l'effet tunnel quantique de l'aimantation à l'interférence de la phase de Berry en passant par la cohérence quantique. Cette dernière étant, grâce à la faiblesse des interactions spin-orbite et hyperfine, bien supérieure à celles habituelles des métaux ou semi-conducteurs. Leurs propriétés magnétiques couplées à leur monodispersité font d'elles des candidates prometteuses au stockage d'information à haute densité, ainsi que, en raison de leur long temps de cohérence, un modèle d'ordinateur quantique. (fr)
- A single-molecule magnet (SMM) is a metal-organic compound that has superparamagnetic behavior below a certain blocking temperature at the molecular scale. In this temperature range, a SMM exhibits magnetic hysteresis of purely molecular origin. In contrast to conventional bulk magnets and molecule-based magnets, collective long-range magnetic ordering of magnetic moments is not necessary. Although the term "single-molecule magnet" was first employed in 1996, the first single-molecule magnet, [Mn12O12(OAc)16(H2O)4] (nicknamed "Mn12") was reported in 1991. This manganese oxide compound features a central Mn(IV)4O4 cube surrounded by a ring of 8 Mn(III) units connected through bridging oxo ligands, and displays slow magnetic relaxation behavior up to temperatures of ca. 4 K. Efforts in this field primarily focus on raising the operating temperatures of single-molecule magnets to liquid nitrogen temperature or room temperature in order to enable applications in magnetic memory. Along with raising the blocking temperature, efforts are being made to develop SMMs with high energy barriers to prevent fast spin reorientation. Recent acceleration in this field of research has resulted in significant enhancements of single-molecule magnet operating temperatures to above 70 K. (en)
- Молекулярный магнетик, или SMM (англ. single-molecule magnet) — металлорганическое соединение, которое проявляет свойства суперпарамагнитных материалов ниже определенной температуры блокировки в молекулярном масштабе. В этом температурном диапазоне, SMM демонстрирует магнитный гистерезис чисто молекулярной природы. В отличие от классических объемных и , коллективное дальнодействующее магнитное упорядочивание не является необходимым. (ru)
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- Молекулярный магнетик, или SMM (англ. single-molecule magnet) — металлорганическое соединение, которое проявляет свойства суперпарамагнитных материалов ниже определенной температуры блокировки в молекулярном масштабе. В этом температурном диапазоне, SMM демонстрирует магнитный гистерезис чисто молекулярной природы. В отличие от классических объемных и , коллективное дальнодействующее магнитное упорядочивание не является необходимым. (ru)
- Els imants monomoleculars o molècules imant són sistemes en els quals es pot obtenir magnetització i histèresi magnètica (normalment, a temperatures extremadament baixes), no pas amb un ordenament magnètic tridimensional, sinó per un fenomen purament monomolecular. El nom d'imant no és estrictament adequat, ja que els imants reals impliquen un nombre molt gran de centres acoblats. No obstant això, la comunitat científica l'ha adoptat per ser evocatiu de les propietats magnètiques d'aquest tipus de molècules. (ca)
- Ein Einzelmolekülmagnet, im Englischen als „Single-Molecule Magnet“ (SMM) bezeichnet, ist ein Molekülkomplex aus einem oder mehreren Metallionen und organischen Liganden mit einem Gesamtspin, wobei die Ausrichtung des Gesamtspins bei hinreichend tiefen Temperaturen unterhalb der „Blocking Temperature“ über eine gewisse, temperaturabhängige Zeit stabil ist. Als „Blocking Temperature“ wird die Temperatur definiert, oberhalb derer keine Gesamtmagnetisierung innerhalb eines Zeitfensters beobachtet werden kann. Man bezeichnet entsprechende magnetische Systeme als Superparamagnete. (de)
- Los imanes monomoleculares (en inglés, single-molecule magnet) o moléculas imán son sistemas en los que se puede obtener magnetización e histéresis magnética (normalmente, a temperaturas extremadamente bajas), no a través de un ordenamiento magnético tridimensional, sino por un fenómeno puramente monomolecular. El nombre de imán no es estrictamente adecuado, ya que los imanes reales implican a un número muy grande de centros acoplados. Sin embargo, la comunidad científica lo ha adoptado por ser evocativo de las propiedades magnéticas de este tipo de moléculas. (es)
- A single-molecule magnet (SMM) is a metal-organic compound that has superparamagnetic behavior below a certain blocking temperature at the molecular scale. In this temperature range, a SMM exhibits magnetic hysteresis of purely molecular origin. In contrast to conventional bulk magnets and molecule-based magnets, collective long-range magnetic ordering of magnetic moments is not necessary. (en)
- Un aimant monomoléculaire ou nano-aimant moléculaire, appelé aussi SMM, de l'acronyme anglais Single Molecule Magnet, est une molécule faisant partie des composés de coordination qui a un comportement superparamagnétique: c'est un aimant uniquement en dessous d'une certaine température dite de blocage. Les aimants monomoléculaires sont des macromolécules, c'est-à-dire composés de 100 à 1 000 atomes. (fr)
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