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Nanomagnete im Kohlenstoffkäfig

In Fullerenen verkapselte Lanthanoidatome stabilisieren unkonventionelle metallische Cluster.

Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) haben luftstabile Einzelmolekülmagnete mit einzigartigen magnetischen Eigenschaften hergestellt. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Integration von Nanomagneten in die moderne Spin-Informationstechnologie.
Bei der Suche nach geeigneten Datenspeichern mit hoher Speicherdichte stellen magnetische Einzelmoleküle einen Hoffnungsträger dar. Darüber hinaus können sie  als Nano-Magnete für spintronische Anwendungen und in der Quanteninformationstechnologie als „Qubits“ verwendet werden. Als mögliche Kandidaten für solche Einzelmolekülmagnete sind  in den letzten Jahren die Lanthanoide intensiv erforscht worden. Die Einbettung von Lanthanoidionen in molekulare Umgebungen führt zu Nanomagneten mit magnetischer Bistabilität und langsamer Relaxation der Magnetisierung. Die Synthese von funktionalen Einzelmolekülmagneten mit Luft- und thermischer Stabilität, die für Anwendungen erforderlich sind, bleibt jedoch eine große Herausforderung.
Nun gibt es einen vielversprechenden neuen Ansatz von Forschern IFW Dresden. Die Einkapselung von Lanthanoidatomen in Kohlenstoffkäfigen, sogenannten Fullerenen, ermöglicht die Stabilisierung unkonventioneller metallischer Cluster. Von besonderem Interesse ist der Fall von verkapselten Lanthanoid-Dimeren mit einer Einelektronenbindung, die bisher in keiner anderen molekularen Lanthanoidverbindung realisiert werden konnte. Um die Prinzipien ihres magnetischen Verhaltens zu verstehen, wurde ein Array von luftstabilen Ln2 @ C80 (CH2Ph) -Molekülen synthetisiert und detailliert untersucht. Die einzigartige Bindungssituation führt zu einer starken „Verklebung“ der magnetischen Momente der Lanthaniden in allen Molekülen. Dies ist sehr vorteilhaft für den molekularen Magnetismus, insbesondere bei Tb2 @ C80 (CH2Ph), das eine riesige Koerzitivfeldstärke und die höchste Blockierungstemperatur der Magnetisierung unter zweikernigen Lanthanidmolekülmagneten aufweist.

Originalpublikation: F. Liuet al., Air-stable redox-active nanomagnets with lanthanide spins radical-bridged by a metal-metal bond, Nature Communications (2019), 10, 571.http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-08513-6

Bild:  Molekulare Struktur von Ln2@C80(CH2Ph)

Fullerene with Lanthanide atoms

Ln@C80(CH2Ph). Molecular structure.