Элементарная физика в масштабах одной молекулы

Команда физиков достигла успеха в проведении экстраординарного эксперимента. Они продемонстрировали, как магнетизм, который обычно проявляется как сила между двумя намагниченными объектами, действует в пределах единственной молекулы. Это открытие имеет большое значение для фундаментальных исследований и предоставляет ученым новый инструмент для понимания магнетизма как элементарного явления физики.

Наименьшими магнитными блоками в веществе являются магнитные моменты атомов или ионов. Если два таких блока объединены, то возможны два результата: магнитный момент системы либо удвоится, либо компенсируется. В этом случае в квантовой физике говорят о триплете или о синглете. Команда исследователей под руководством проф. Марио Рубена (Mario Ruben) из Технологического института Карлсруэ и проф. Хайко Б. Вебера (Heiko B. Weber) из Университета Фридриха-Александра, Эрланген-Нюрнберг, теперь захотела узнать, может ли магнетизм пары магнитных моментов быть определен электрически в единственной молекуле.

С этой целью команда использовала для эксперимента преднастроенную молекулу из двух ионов кобальта. В Эрлангене Хайко Б. Вебер и его команда изучили молекулу в так называемом одномолекулярном переходе. В этом состоянии два металлических электрода располагаются очень близко друг другу, так что молекула длиной приблизительно 2 нм, размещенная между этими электродами, сохраняет стабильность в течение многих дней, предоставляя возможность измерять ток через соединение. Эта экспериментальная установка была подвергнута очень глубокому охлаждению. Ученые нашли, что таким образом магнетизм может быть измерен. Магнитное состояние молекулы обнаруживалось как аномалия Кондо. Это эффект, при котором электрическое сопротивление уменьшается по мере понижения температуры.

Эффект происходит только при наличии магнетизма и, следовательно, может использоваться в качестве доказательства его присутствия. В то же время исследователи достигли успеха в том, чтобы включать и выключать эффект Кондо посредством приложения напряжения. Точный теоретический анализ, проведенный группой доцента Карин Финк (Karin Fink) из Технологического института Карлсруэ, более подробно описал различные сложные квантовые состояния пары ионов кобальта. В общем, исследователи преуспели в том, чтобы воспроизвести элементарную физику в единственной молекуле.

Молекула приблизительно 2 нм длиной сохраняет стабильное состояние между двумя металлическими электродами в течение нескольких дней