Jyväskylän yliopiston tutkijat ovat olleet mukana kansainvälisessä brittiläis-suomalais-kiinalaisessa yhteistyöhankkeessa, jossa valmistettiin ensimmäinen molekyyli, joka pystyy muistamaan siihen kohdistetun magneettikentän nestemäisen typen lämpötilan yläpuolella. Tutkimustulokset voivat mahdollistaa tulevaisuudessa esimerkiksi tietokoneiden kiintolevyjen tallennuskapasiteetin moninkertaistamisen laitteiden koon kasvamatta.

Yksittäismolekyylimagneetit ovat molekyylejä, jotka muistavat kauan niihin kohdistetun magneettikentän suunnan ja molekyyleihin voi näin ”kirjoittaa” informaatiota. Yksittäismolekyylimagneeteille on suunniteltu mahdollisia sovellutuksia esimerkiksi suuritiheyksissä tallennusmedioissa ja kvanttitietokoneiden laskentayksiköissä.

Näiden ”molekyylimuistien” käytännön sovellusten kehittymistä on estänyt se, että yksittäismolekyylimagneetit toimivat vain äärimmäisen kylmissä olosuhteissa. Yleensä niiden magneettiset ominaisuudet häviävät, jos niitä lämmittää muutaman asteen absoluuttisen nollapisteen (–273°C) yläpuolelle. Näin ollen yksittäismolekyylimagneetteja on voinut tutkia vain laboratorio-olosuhteissa jäähdyttämällä niitä nestemäisellä heliumilla.

Tutkijat ovat nyt ensimmäistä kertaa onnistuneet valmistamaan ja karakterisoimaan yksittäismolekyylimagneetin, joka säilyttää muistiominaisuutensa nestemäisen typen lämpötilan (–196°C) yläpuolella. Magneettia voidaan kutsua ensimmäiseksi korkean lämpötilan yksittäismolekyylimagneetiksi.

- Arkielämässä ajateltuna nestemäinen typpi on äärimmäisen kylmää, mutta verrattuna nestemäiseen heliumiin, jota on aiemmin tarvittu yksittäismolekyylimagneettien tutkimuksessa, on nestetypen lämpötila huima loikkaus ylöspäin. Nestetyppi on yli 300 kertaa nesteheliumia halvempaa ja sen käsittely on paljon helpompaa mahdollistaen teolliset sovellukset. Näin ollen kyseessä on todellinen tieteellinen läpimurto, kertoo tutkijatohtori Akseli Mansikkamäki Jyväskylän yliopiston kemian laitokselta.

Tehokkaat tietokoneet hyötykäytössä

Valmistettu dysprosium-metalloseeniyhdiste on vuosia kestäneen tutkimustyön huipentuma. Projekti on vaatinut uusien organometallikemian synteettisten menetelmien kehittämistä sekä syvällistä ymmärtämistä tutkittujen molekyylien mikroskooppisen elektronirakenteen vaikutuksesta niiden magneettisiin ominaisuuksiin.

- Kvanttimekaniikkaan ja suhteellisuusteoriaan perustuvat tietokoneavusteiset laskennalliset tutkimusmenetelmät ovat tärkeässä roolissa yksittäismolekyylimagneettien analysoinnissa ja uusien molekyylien suunnittelussa. Nykyään saatavilla oleva suuri laskentakapasiteetti on mahdollistanut tässä tutkimuksessa esimerkiksi monimutkaiset laskut, joilla on selvitetty molekyylien kidevärähdysten ja magneettisten ominaisuuksien välistä vuorovaikutusta, selventää Mansikkamäki.

Tutkimuksessa saatiin tietoa myös siitä, miten valmistettujen molekyylien magneettisia ominaisuuksia voi entisestään parantaa ja teollisesti toteutettavia käyttösovelluksia voidaan tuoda lähemmäs todellisuutta.

Tutkimusprojektia on johtanut professori Richard Layfield Sussexin yliopistossa Isossa-Britanniassa. Tutkimuksen synteettinen työ ja yhdisteiden karakterisointi suoritettiin Layfieldin tutkimusryhmässä ja magneettiset mittaukset tehtiin Sun Yat-sen –yliopistossa Kantonissa, Kiinassa, professori Ming-Liang Tongin johdolla. Tutkijatohtori Akseli Mansikkamäki toteutti teoreettiset laskut ja analyysit Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella. Suomessa tutkimusta rahoitti Suomen Akatemia. Laskentaresurssit on tarjonnut Tieteen tietotekniikan keskus (CSC) ja Jyväskylän yliopisto.

Tutkimus on juuri julkaistu arvostetussa Science-julkaisusarjassa 18.10.2018.