ナノ分子磁石における水素結合相互作用と磁気緩和ダイナミクスの解明

本研究では、ナノサイズ磁石である単分子磁石化合物における分子間相互作用の磁気緩和ダイナミクスへの影響を解明することを目的としている。単分子磁石化合物は、次世代の高密度記録素子や量子情報処理への応用が期待されているが、ゼロ磁場下では磁化の量子トンネリング(QTM)によって迅速な磁気緩和がおこるために、磁気情報を保存できない。申請者は、単分子磁石化合物に分子間相互作用を導入することで量子トンネリングの抑制に取り組む。前年度までは四面体構造を有するN2O2型およびO2X2型コバルト錯体(X=Cl, Br, I)における結晶中の一次元水素結合ネットワークと単分子磁石挙動の相関について報告してきた。その結果、水素結合ネットワークにおける最近接錯体間距離が0.6 nm程度の場合、分子間の磁気的相互作用によりQTMが効果的に抑制される一方で、0.85 nm以上の場合はQTMが抑制されないことが明らかになった。しかし、最近接距離が0.6 nm程度の場合でも、錯体ごとにQTMの抑制具合にバラツキが観られた。そこで2022年度は、分子構造が近く、N2O2型コバルト(II)錯体を新たに合成し、一次元ネットワーク内の分子配置が、単分子磁石挙動へ与える影響の詳細について検討した。一次元ネットワーク内の両隣の錯体と等距離で水素結合する場合、隣接錯体からの磁気的摂動が一部相殺されるため部分的にQTMの抑制が観られた。一方、両隣の錯体との距離が0.6 nm程度かつ非等価の場合、錯体間距離の差によって磁気緩和挙動が大きく変化した。錯体感距離の差が0.02 nm以上の場合、QTMは完全に抑制された。しかし、その差が0.01 nm程度の場合、QTMの影響が残ることがわかった。以上のように、本年度はQTMを完全に抑制した単分子磁石の設計における重要な指針が得られた。

本研究では、ナノサイズ磁石である単分子磁石化合物における分子間相互作用の磁気緩和ダイナミクスへの影響を解明することを目的としている。単分子磁石化合物は、次世代の高密度記録素子や量子情報処理への応用が期待されているが、ゼロ磁場下では磁化の量子トンネリング(QTM)によって迅速な磁気緩和がおこるために、磁気情報を保存できない。申請者は、単分子磁石化合物に分子間相互作用を導入することで量子トンネリングの抑制に取り組む。前年度までは四面体構造を有するN2O2型およびO2X2型コバルト錯体(X=Cl, Br, I)における結晶中の一次元水素結合ネットワークと単分子磁石挙動の相関について報告してきた。その結果、水素結合ネットワークにおける最近接錯体間距離が0.6 nm程度の場合、分子間の磁気的相互作用によりQTMが効果的に抑制される一方で、0.85 nm以上の場合はQTMが抑制されないことが明らかになった。しかし、最近接距離が0.6 nm程度の場合でも、錯体ごとにQTMの抑制具合にバラツキが観られた。そこで2022年度は、分子構造が近く、N2O2型コバルト(II)錯体を新たに合成し、一次元ネットワーク内の分子配置が、単分子磁石挙動へ与える影響の詳細について検討した。一次元ネットワーク内の両隣の錯体と等距離で水素結合する場合、隣接錯体からの磁気的摂動が一部相殺されるため部分的にQTMの抑制が観られた。一方、両隣の錯体との距離が0.6 nm程度かつ非等価の場合、錯体間距離の差によって磁気緩和挙動が大きく変化した。錯体感距離の差が0.02 nm以上の場合、QTMは完全に抑制された。しかし、その差が0.01 nm程度の場合、QTMの影響が残ることがわかった。以上のように、本年度はQTMを完全に抑制した単分子磁石の設計における重要な指針が得られた。