Um material magnético consegue guardar informação em moléculas individuais e novo desenho manteve memória por 100 segundos a 40 kelvin
Nova arquitetura combina dois tipos de ligantes ao redor do disprósio para aumentar a retenção magnética em escala molecular
Guardar informação magnética em uma única molécula é uma das ideias mais extremas para miniaturizar dispositivos. Agora, pesquisadores das universidades de Manchester e Nacional da Austrália combinaram duas estratégias químicas em novos ímãs moleculares de disprósio. Os compostos mantiveram memória magnética por 100 segundos até 40 kelvin e apresentaram histerese magnética em temperaturas de até 92 kelvin. O resultado, publicado na Nature Communications, é experimental, mas ainda está distante de um dispositivo comercial de armazenamento.
Como ímãs moleculares conseguem guardar informação?
Ímãs de molécula única, conhecidos pela sigla SMM, possuem estados magnéticos que podem permanecer orientados durante determinado intervalo de tempo. Em princípio, cada molécula poderia representar uma unidade de informação, levando a densidades muito superiores às dos materiais magnéticos convencionais.
O obstáculo é impedir que essa orientação desapareça rapidamente. Vibrações moleculares e processos quânticos permitem que a magnetização relaxe e perca sua memória. Por isso, químicos tentam controlar a geometria ao redor do íon magnético para criar forte anisotropia e dificultar a reversão da magnetização.
Como os químicos combinaram dois projetos diferentes de disprósio?
Os pesquisadores partiram de duas famílias que haviam alcançado resultados importantes separadamente. Complexos com ligantes ciclopentadienila formam estruturas rígidas e já apresentaram retenção magnética eficiente, enquanto sistemas contendo ligantes amida conseguem criar ligações muito curtas e campos magnéticos locais favoráveis ao disprósio.
A nova arquitetura reuniu um ligante ciclopentadienila e um ligante amida ao redor de um único íon Dy³⁺. Os compostos assumiram geometria quase linear, com ângulos chegando perto de 172°. Cálculos indicam que ligações curtas, alinhamento axial e vibrações moleculares restringidas trabalham conjuntamente para desacelerar a perda da magnetização.
- Um íon central de disprósio;
- Ligante ciclopentadienila rígido;
- Ligante amida fortemente doador;
- Geometria quase linear;
- Vibrações moleculares restringidas.
Este vídeo apresenta pesquisas sobre ímãs de molécula única e sistemas quânticos magnéticos.
Por que manter memória por 100 segundos a 40 kelvin importa?
Os pesquisadores usam a temperatura de bloqueio de 100 segundos como uma das formas de comparar ímãs moleculares. Ela indica a temperatura na qual a magnetização remanescente persiste durante aproximadamente 100 segundos. Nos novos compostos, esse limite chegou a cerca de 40 K, equivalente a aproximadamente −233 °C.
Esse desempenho representa melhora substancial sobre sistemas anteriores baseados em amida, mas não estabelece um recorde absoluto entre todos os SMMs. Outros projetos de disprósio já alcançaram temperaturas de bloqueio de 100 segundos superiores a 60 K. O avanço está na combinação equilibrada de diferentes métricas dentro da nova arquitetura.
O que significa observar histerese magnética até 92 kelvin?
Histerese significa que a magnetização de um material depende de seu histórico quando o campo externo é alterado. Os dois novos compostos apresentaram temperaturas máximas de histerese de aproximadamente 91 e 92 K, respectivamente. Isso mostra que a memória magnética pode sobreviver em condições mais quentes do que aquelas nas quais persiste por 100 segundos.
No artigo da Nature Communications, Jack Emerson-King e colegas mostram que a geometria molecular é fundamental para esse comportamento. O resultado também demonstra que diferentes indicadores precisam ser separados: observar histerese a 92 K não significa armazenar informação estável por 100 segundos nessa mesma temperatura.
Por que o formato da molécula interfere tanto na memória?
Íons de disprósio possuem propriedades eletrônicas que favorecem forte anisotropia magnética. Uma geometria altamente axial ajuda a concentrar essa anisotropia ao longo de uma direção preferencial, elevando a barreira que separa orientações opostas da magnetização. Conseguir impor essa geometria é difícil porque as ligações de lantanídeos apresentam pouca direcionalidade.
Os novos ímãs moleculares mostram que combinar tipos diferentes de ligantes pode tornar esse controle mais previsível. Os cálculos ab initio apontaram também um papel das vibrações: não basta construir uma barreira magnética alta se movimentos moleculares oferecem caminhos eficientes para a magnetização relaxar.
Esses ímãs podem virar discos rígidos moleculares?
Em princípio, armazenar um bit em escala molecular permitiria densidades extraordinárias. Entretanto, demonstrar memória magnética em cristais estudados no laboratório é muito diferente de escrever, ler e apagar individualmente bilhões de moléculas integradas em um dispositivo confiável.
Também continua necessária refrigeração criogênica. O avanço mostra que o desenho químico consegue elevar o desempenho de ímãs moleculares, não que computadores ou discos rígidos moleculares estejam próximos do mercado. O objetivo agora é entender melhor como estrutura e vibração controlam a relaxação e usar essas regras para desenvolver moléculas ainda mais estáveis.
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