Можно ли записать данные внутрь одной молекулы? Эксперимент ученых

Новые молекулярные магниты, созданные международной группой учёных, способны удерживать записанную магнитную информацию в течение 100 секунд при температуре до 40 кельвинов, тогда как температура магнитного гистерезиса для них достигает 92 K. Такие показатели фиксируют один из самых сильных результатов среди одномолекулярных магнетиков за последние годы. Разработка объединила подходы, которые ранее давали успех лишь в отдельных аспектах, и проведена специалистами из Манчестерского университета и Австралийского национального университета. Перспектива — ультраплотное хранение данных на масштабе отдельных молекул, где информация размещается в сотни раз плотнее, чем в современных жёстких дисках, использующих магнитные домены размером в несколько десятков нанометров. Молекула же занимает объём менее кубического нанометра.

Объединение циклопентадиенильных и амидных лигандов

Контроль геометрии соединений лантаноидов долгое время считался одной из главных проблем в проектировании молекулярных магнитов. Исследователи под руководством профессора Дэвида Миллса и Николаса Чилтона предложили синтезировать структуру, совмещающую две ранее разделённые архитектуры. Первая опиралась на жёсткость каркаса, вторая отличалась короткими связями азота с металлом, но страдала от нестабильности формы.

В эксперименте использовали циклопентадиенильные лиганды, формирующие жёсткий каркас, и амидные группы, образующие особо короткие связи диспрозий–азот. Итоговые молекулы приняли почти линейную форму с углами между лигандами около 172 градусов, что, как полагают, напрямую влияет на магнитное поведение. Ранее подобные углы удавалось получить лишь случайно в единичных образцах.

• жёсткость каркаса задаётся циклопентадиенилом;
• короткие связи металл–азот обеспечивает амидный лиганд;
• близкая к линейной геометрия усиливает магнитную память.

Реальный пример — синтезированное соединение на основе диспрозия, где угол связи достиг 172°, а не идеальных 180°, но этого оказалось достаточно для рекордных метрик. В лаборатории удалось получить серию веществ, стабильных при охлаждении до температур, близких к точке кипения жидкого азота (77 K). Это приближает технологию к практическому применению, так как не требует экзотических криогенных установок.

Отдельно стоит отметить, что комбинация лигандов решает проблему компромисса: прежние диспрозий-амидные системы теряли информацию быстрее секунды уже при 20 K, а новые удерживают её сто секунд при удвоенной температуре. Такой скачок достигнут не за счёт силы магнитного момента, а через архитектуру окружения атома.

Преодоление неподатливости геометрии лантаноидов

Химическая связь в лантаноидах не имеет выраженной направленности, поэтому предсказать и задать нужную форму молекулы крайне сложно. Долгое время теоретики предрекали, что почти линейные комплексы диспрозия дадут лучшие одномолекулярные магниты, но на практике воспроизвести такую геометрию удавалось редко и в малых количествах.

«Лучшие одномолекулярные магниты прошедшего десятилетия часто сильно различались по областям успеха. Наша задача — соединить самые удачные черты этих конструкций в одной молекуле. Тщательно контролируя структуру вокруг центра диспрозия, мы получили материалы, эффективные сразу по нескольким показателям магнитной памяти», — поясняет Дэвид Миллс.

Только комбинация подобранных лигандов позволила систематически получать целевые молекулы. Ранее близкие к линейным структуры получали случайно, теперь же процесс стал воспроизводимым, что открывает дорогу для масштабирования синтеза. Метод не требует уникального оборудования, достаточно стандартных техник металлоорганической химии.

Отдельного внимания заслуживает тот факт, что магнитная память сохраняется не только при сверхнизких температурах, но и при показателях, близких к температуре жидкого азота. Это снижает затраты на охлаждение в будущих устройствах. Энергопотребление криостата при 77 K в сотни раз ниже, чем при 4 K, используемых в прежних экспериментах с молекулярными магнетиками.

Потенциал для тёплых условий работы

Способность создавать магнитные системы с эффектами памяти при повышенных температурах расширяет возможности применения в носителях информации. Как сообщается в материале Phys.org, такие вещества приближают эру сверхплотного хранения, востребованного из-за постоянного роста объёмов цифровых данных.

Один из примеров запроса на технологию — центры обработки данных, где каждый год объём сохраняемой информации увеличивается на десятки процентов. Использование молекул вместо макроскопических доменов позволило бы упаковать терабайты в крошечный объём кристалла размером с песчинку. Теоретический предел плотности в таком случае упирается лишь в размеры отдельной молекулы и зазоры между ними.

Тем не менее переход от отдельной молекулы к упорядоченному слою на подложке требует решения задач по стабильности и считыванию. Инженеры лишь начинают тестировать методы адресного обращения к таким наномасштабным объектам, ведь для записи бита нужно повернуть магнитный момент одного атома, не задев соседей. Существующие сканирующие микроскопы слишком медленны для индустриальных объёмов.

Ключевые параметры и научная публикация

Работа опубликована в журнале Nature Communications группой под руководством Джека Эмерсона-Кинга и коллег. Статья детально описывает синтез и измерения аксиальных диспрозий-циклопентадиенил-амидных магнетиков с гистерезисом до 92 кельвинов. DOI исследования: 10.1038/s41467-026-77104-z, что позволяет коллегам точно воспроизвести методику.

1. температура гистерезиса достигла 92 K;
2. время удержания информации — 100 с при 40 K;
3. угол лигандов приблизился к 172 градусам;
4. использован центральный атом диспрозия.

Помимо самих результатов, важен методический задел: показано, что сочетание разных лигандов позволяет управлять геометрией даже при некооперативной связи лантаноидов. Это фундамент для дальнейших экспериментов с другими редкоземельными элементами, например, с тербием или гольмием, у которых магнитные свойства могут дать иные комбинации показателей.

Дополнительные сведения о диспрозии и магнитных системах доступны в справочных разделах научных порталов, однако базовый вывод ясен — контролируемый дизайн молекул работает. Лабораторные образцы уже демонстрируют стабильность при циклическом нагреве и охлаждении, что необходимо для реальной эксплуатации любого накопителя.

Можно ли представить, что через пятнадцать лет флеш-накопитель размером с ноготь будет хранить эксабайты, опираясь на магнетизм отдельных атомов? Пока ответ неясен, но если вы планируете архивировать семейные видео или научные выборки, стоит следить за развитием одномолекулярных магнетиков — они могут незаметно изменить индустрию раньше, чем появятся в розничной продаже.