Для увеличения емкости современных магнитных носителей информации необходимо преодолеть фундаментальное ограничение на минимальный размер магнитной ячейки памяти. Один из вариантов решения данной проблемы – использование мономолекулярных магнитов. В будущем они могут обеспечить сверхвысокую плотность записи информации на носители, а также стать структурными блоками квантовых компьютеров. Над исследованиями магнитов размером с молекулу работают ученые Международного томографического центра СО РАН (МТЦ СО РАН) при помощи Новосибирского лазера на свободных электронах (ЛСЭ) Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Результаты опубликованы в Journal of Magnetic Resonance.

станция ЭПР спектроскопии НА ЛСЭ ИЯФ СО РАН 2

Станция ЭПР-спектроскопии на ЛСЭ ИЯФ СО РАН. Фото предоставил С. Вебер.

Глобальная цель проекта МТЦ и ИЯФ СО РАН – научиться манипулировать намагниченностью мономолекулярного магнита с помощью коротких импульсов излучения ЛСЭ Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения на рабочих станциях ЭПР-спектроскопии и СКВИД-магнетометрии. Специально под этот проект физики ИЯФ СО РАН разработали электронный модулятор мощности ЛСЭ, позволяющий формировать микросекундные импульсы терагерцового излучения.

Старший научный сотрудник лаборатории магнитного резонанса МТЦ СО РАН, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель НГУ Сергей Вебер

«На данный момент мы говорим о фундаментальных исследованиях, но практические приложения, такие как создание ячеек сверхъемких носителей информации и кубитов вполне вероятны в недалеком будущем. Для прикладного использования мономолекулярных магнитов необходимо научиться контролируемо индуцировать в них спиновые переходы – “перемагничивать” молекулы – это и есть основная задача наших экспериментов, которые мы проводим с помощью терагерцового излучения. Получаемые данные уникальны и могут лечь в основу прикладных методик манипулирования спиновым состоянием мономолекулярных магнитов, а также позволят улучшить параметры существующих мономолекулярных магнитных систем».

Одна из проблем, которая стояла перед учеными МТЦ СО РАН, была связана с ограничением времени воздействия мощного лазерного излучения на объект. В первых экспериментах макроимпульсы терагерцового излучения формировались механически. Удалось успешно сформировать импульсы длительностью ~300 микросекунд, но мощность лазера все равно приходилось уменьшать, чтобы не перегревать образец. Тогда, специально для эксперимента ученых МТЦ СО РАН физики ИЯФ СО РАН разработали электронный модулятор мощности ЛСЭ. Весной 2018 г. экспериментально были получены импульсы порядка 50 микросекунд.

Ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Олег Шевченко:

«Чтобы избежать сильного нагрева исследуемых образцов, необходимо уменьшить среднюю мощность излучения, но при этом сохранить пиковую. Для решения данной задачи нами был предложен метод электронной модуляции терагерцового излучения, который позволяет относительно быстро выключать генерацию ЛСЭ, сохраняя при этом средний ток электронного пучка, что важно для устойчивой работы ускорителя.
Для других пользователей ЛСЭ большее значение имеет не величина средней мощности, а ее стабильность – новый метод позволяет плавно изменять среднюю мощность за счет изменения скважности макроимпульсов. Важно и то, что управлять работой модулятора пользователи смогут самостоятельно со своих рабочих станций».

Электронный модулятор мощности ЛСЭ откроет новые возможности для проведения экспериментов, так как позволит работать на пиковых мощностях без термического воздействия на объекты, а передача контроля за излучением конечному пользователю упростит и сам ход экспериментов.