Polski przełom w badaniach nad magnetyzmem. Odkryto kryształ sterowany światłem
Polscy badacze odkryli kryształ, którego magnetyzm można odwracalnie kontrolować za pomocą światła widzialnego. To przełomowy krok na drodze do stworzenia fotoprzełączalnych nanomagnesów, które mogą odmienić pamięć masową, systemy czujników czy technologie kwantowe.
Światło odgrywa kluczową rolę w wielu procesach biologicznych i chemicznych. W przyrodzie napędza fotosyntezę czy reakcje fotokatalityczne, a w laboratoriach umożliwia konstruowanie coraz bardziej złożonych materiałów. Kiedy cząsteczka pochłania foton, przechodzi w stan przejściowy. Najczęściej takie zmiany są krótkotrwałe, jednak zdarza się, że utrzymują się nawet przez wiele tygodni. Substancje o takich właściwościach określa się mianem fotoprzełączalnych – to one stanowią podstawę nowoczesnych rozwiązań, od pozyskiwania energii słonecznej po inteligentne metody dostarczania leków.
Dotychczas badania koncentrowały się głównie na materiałach organicznych, które rzadko wykazywały zmianę magnetyzmu pod wpływem światła. Związki nieorganiczne z przejściami spinowymi działały natomiast jedynie w ekstremalnie niskich temperaturach, bliskich -200°C, co praktycznie uniemożliwiało ich wykorzystanie w praktyce.
Odkrycie zespołu z Krakowa
Przełom udało się osiągnąć naukowcom z Uniwersytetu Jagiellońskiego, którzy przy współpracy z badaczami z Bordeaux, Europejskiego Ośrodka Synchrotronowego ESRF oraz innych ośrodków europejskich, znaleźli rozwiązanie tego problemu. Zidentyfikowany cyjanometalan – heptacyjanomolibdenian potasu – reaguje na światło widzialne w wyjątkowy sposób. Pod wpływem promieniowania fioletowego dochodzi do przerwania wiązania metal–cyjanek, a światło czerwone błyskawicznie je odtwarza. Proces zachodzi całkowicie odwracalnie i – co szczególnie ważne – bez naruszania struktury kryształu.
To niezwykłe w chemii ciała stałego zjawisko powoduje bezpośrednią zmianę momentu magnetycznego atomów metalu. Innymi słowy, światło pełni tu rolę przełącznika, który uruchamia i wyłącza magnetyzm. Co istotne, efekt ten udało się uzyskać w znacznie wyższych temperaturach niż dotychczas, co przybliża możliwość opracowania materiałów funkcjonujących w warunkach pokojowych.
Dr hab. Dawid Pinkowicz z UJ, główny autor badania, zaznacza:
– Nikt z nas nie przypuszczał, że to faktycznie może się udać. Jednak kilka lat temu, analizując uważnie doniesienia literaturowe dotyczące reakcji fotodysocjacji w związkach kompleksowych, zorientowaliśmy się, że istnieje szansa na tego typu fotoprzełączanie. W oparciu o tą analizę i wstępne badania sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki, przygotowałem i otrzymałem grant ERC (projekt LUX-INVENTA). Celem jest właśnie uzyskanie magnesów aktywowanych światłem widzialnym w temperaturze pokojowej w oparciu o reakcje fotodysocjacji.
Odkrycie krakowskich naukowców otwiera nowe kierunki badań. Fotoprzełączalne kryształy mogą w przyszłości stanowić podstawę pamięci molekularnych, gdzie zapis odbywa się światłem, a także czujników magnetooptycznych, zdolnych rejestrować impulsy świetlne poprzez zmianę magnetyzmu. Jeszcze większe nadzieje wiążą się z ich potencjalnym zastosowaniem w spintronice i komputerach kwantowych, gdzie manipulacja stanami spinowymi jest jednym z największych wyzwań.
Choć przełączanie w temperaturze pokojowej pozostaje na razie celem dalszych badań, już dziś podkreśla się, że wykonano ogromny krok naprzód. Wyniki opublikowane w Nature Communications dowodzą, że coś, co do niedawna wydawało się tylko teorią, zaczyna nabierać praktycznego wymiaru.
