Новости: Прочее (рубрикатор)

Перевод Анны Грошевой

Магнитные материалы, которые мы используем в повседневной жизни, обычно представляют собой твердые металлы или сплавы. Молекулярные соединения мы привыкли считать немагнитными. Однако исследования показали, что определенный тип молекул может обладать большим магнитным моментом со стабильной ориентацией, как у традиционных магнитных материалов. Такие молекулярные магниты можно активно изучать квантовыми методами. Так, было предложено их использование в качестве q-битов, фундаментальных единиц квантовой информации. В таких квантовых объектах необходимо регулировать одновременно и амплитуду и фазу. К сожалению, квантовое состояние системы постоянно изменяется из-за взаимодействия с окружением. Важнейшим требованием, предъявляемым к квантовой фазе при работе с квантовой информацией, является большое время релаксации (T₂), а именно, оно должно быть больше времени осуществления нескольких вычислительных операций. В научной группе Ардавана [1] было измерено время релаксации специфического молекулярного магнита и показано, что его величина почти на три порядка выше, чем полагали ранее [2]. За такой продолжительный интервал времени можно осуществить около сотни операций, что выглядит многообещающе для квантовых вычислений.

Молекулярный магнит представляет собой органическую молекулу, в составе которой есть один или несколько ионов металла с неспаренными электронами. Неспаренные электронные спины сильно взаимодействуют со спинами других атомов, преимущественно кислорода. Полиядерные кластеры металлов окружены объемными лигандами (рис.1), которые защищают магнитное ядро от внешних воздействий. Первым и самым известным примером описанных соединений служит соединение двенадцати атомов марганца с ацетатными лигандами (Mn₁₂-ацетат). Такие молекулярные наномагниты обладают как классическими магнитными свойствами [3], так и квантовыми [4, 5, 6].

За последние два десятилетия супрамолекулярная химия позволила получить несколько сотен молекулярных наномагнитов с контролируемыми магнитными свойствами. Например, можно создать объемные кристаллические структуры, в которых все молекулы ориентированы одинаково. Кроме того молекулы можно осаждать на подложки с образованием слоев. Подбор условий синтеза позволяет контролировать физические свойства и создавать связи между молекулами. Можно обеспечить дополнительные функциональные зависимости, например возможность переключения спиновых состояний под действием света.

В 2001 году для молекулярных наномагнитов был предложен квантовый алгоритм Гровера [7], который демонстрирует явные преимущества квантовых расчетов по сравнению с классическими. Позднее было разработано несколько других квантовых методов. Например, молекулярное кольцо Cr₇Ni (рис.1) позволяет осуществлять преобразования одиночного q-бита и пары q-битов при помощи локальных магнитных полей [8], а не путем индивидуального воздействия на молекулу.

Несмотря на потенциальные возможности использования квантовых носителей информации, есть несколько проблем, которые необходимо решить. Первая и, пожалуй, самая серьезная уже отмечалась ранее, это потеря когерентности фаз с течением времени. Основными причинами сдвига фазы являются фононы, ядерные спины и межмолекулярные диполь-дипольные взаимодействия [9]. Влияние фононов можно минимизировать, понижая температуру. Понизить взаимодействие с ядерными спинами гораздо сложнее, потому что ядерными спинами в наномагнитах обладают такие элементы, как водород, азот, фтор и хлор, всегда присутствующие в органической молекуле. Наконец, из-за межмолекулярных взаимодействий применять можно только разбавленные системы, поскольку диполь-дипольные взаимодействия сильно понижаются с увеличением расстояния между частицами.

В своих экспериментах на Cr₇M (M=Ni или Mn), см. рис.1, Ардаван с коллегами постарались минимизировать все три причины сдвига фаз, оптимизируя экспериментальные условия. Измерения проводились при криогенных температурах, влияние ядерных спинов было понижено путем использования изотопов с маленькими магнитными моментами, а для уменьшения межмолекулярного взаимодействия среднее расстояние между молекулами было доведено до 25 нм путем разбавления в толуоле. Неожиданным результатом стал тот факт, что ядерные спины ионов фтора, которые благодаря близости к ионам Cr₇Ni ранее считались основным источником взаимодействия [2,8], не так важны, как ядерные спины атомов водорода, расположенных дальше. Влияние ядер водорода авторы уменьшали с помощью дейтерирования образцов. Хотя у дейтерия тоже есть ядерный спин, но магнитный момент значительно меньше, чем соответствующая величина у ядер водорода. С помощью метода ЭПР Ардаван с сотрудниками показали, что значение T₂ превышает ожидания [2] и достигает микросекунд при температурах порядка нескольких Кельвинов. Такая большая временная шкала позволяет осуществлять сотни когерентных манипуляций со спинами электронов.

Достаточно ли для квантовой обработки информации такого времени релаксации спинов в молекулярных магнитах? Судя по проведенным исследованиям, ответ на этот вопрос «Да». По меньшей мере, результат авторов действительно является важным доводом в пользу квантовой обработки информации. Однако прежде, чем из q-битов может быть создан квантовый компьютер, необходимо решить еще несколько проблем. Одной из наиболее важных среди них является возможность контролируемого соединения молекулярных магнитов (рис.2). Квантовый компьютер должен содержать большое количество q-битов, которые необходимо правильно объединять для определенного типа вычислительных операций. Кроме того, необходимо уметь управлять каждым одиночным q-битом. Решение этих вопросов станет наиболее важным и сложным в дальнейшем.

Список литературы:

1. Ardavan, A. et al. Phys. Rev. Lett. 98, 057201(2007).
2. Wernsdorfer, W., Mailly, D., Timco, G. A. & Winpenny, R. E. P.Phys. Rev. B 72, 060409 (2005).
3. Sessoli, R., Gatteschi, D., Caneschi, A. & Novak, M. A. Nature 365, 141–143 (1993).
4. Friedman, J. R., Sarachik, M. P., Tejada, J. & Ziolo, R. Phys. Rev. Lett. 76, 3830–3833 (1996).
5. Th omas, L. et al. Nature 383, 145–147 (1996).
6. Wernsdorfer, W. & Sessoli, R. Science 284, 133–135 (1999).
7. Leuenberger, M. & Loss, D. Nature 410, 789–793 (2001).
8. Troiani, F., Aff ronte, M., Carretta, S., Santini, P. & Amoretti, G. Phys. Rev. Lett. 94, 190501 (2005).
9. Morello, A., Stamp, P. C. E. & Tupitsyn,

   I. S. Phys. Rev. Lett. 97, 207206 (2006).

10. Larsen, F. K. et al. Angew. Chem. Int. Edn 42, 101–105 (2003).
11. Wernsdorfer, W., Aliaga-Alcalde, N., Hendrickson, D. & Christou, G. Nature 416, 406–409 (2002).