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Selective Resonant Optical Excitations and Spin Pumping in Functional Magnetic Materials

English title Selective Resonant Optical Excitations and Spin Pumping in Functional Magnetic Materials
Applicant Dreiser Jan
Number 182599
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Synchrotron Lichtquelle Schweiz Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.01.2019 - 31.12.2022
Approved amount 484'564.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Condensed Matter Physics
Inorganic Chemistry

Keywords (11)

Scanning laser absorption spectroscopy; Surface science; Prussian blue analogues; X-ray magnetic circular dichroism; Photomagnetism; Lanthanides; X-ray absorption spectroscopy; Fourier-transform infrared spectroscopy; Molecular magnetism; Single-molecule magnets; Optical properties

Lay Summary (German)

Lead
Funktionelle magnetische Materialien haben das Potenzial, eine wichtige Rolle bei zukünftigen Technologien für Kommunikation, Datenspeicherung, klassischer und Quanten-Informationsverarbeitung zu spielen. In diesem Zusammenhang werden Methoden zur gezielten Manipulation der magnetischen Zustände, z.B. als Schreibeprozess in ein Speichermedium, benötigt. Im Bereich der molekularen Magnete, insbesondere bei sogenannten Einzelmolekülmagneten, die als stabile magnetische Bits verwenden werden könnten, sind jedoch bis jetzt solche Schreibemethoden kaum entwickelt.
Lay summary
In diesem Projekt wird versucht, gezielt einzelne Quantenzustände in molekularen Magneten mit optischen Methoden anzusprechen und damit eine kontrollierte Aenderung des magnetischen Zustands hervorzurufen. Als Materialien sollen sogenannte molekulare Berliner-Blau-Analoge ("Prussian Blue Analogues") und Erbium-Einzelmolekülmagnete verwendet werden. Beide Klassen von Materialien weisen eine Bistabilität, wenn auch mit unterschiedlichen Mechanismen, auf, die es erlauben würden, ein Bit in einem Molekül zu kodieren. Weiterhin haben beide Materialklassen optische Eigenschaften, die ein Schalten des Zustands mit Licht ermöglichen.

Im Fall der Berliner-Blau-Analoge ist das Schalten im kristallinen Zustand bekannt, jedoch sollen die möglicherweise veränderten Schalteigenschaften solcher Materialien, wenn diese in Monolagen in Kontakt mit Oberflächen vorliegen, erforscht werden. Im Fall der Einzelmolekülmagnete sollen u.a. neu entwickelte Moleküle auf Oberflächen aufgebracht werden und neue optische Schaltmechanismen untersucht werden.

Als Methoden genutzt werden sollen synchrotronbasierte Röntgenabsorptionsspektroskopie und zirkularer Röntgendichroismus, Rastertunnelmikroskopie, Fourier-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Laserspektroskopie. Die experimentellen Ergebnisse sollen weiterhin mit Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen ergänzt werden.

Das Projekt hat das Potenzial, Resultate zu fundamentalen optischen Eigenschaften von oberflächen-adsorbierten molekularen Magneten zu liefern sowie neue Arten von optischen Schreibeprozessen in technologierelevanten molekularen Datenspeichern aufzuzeigen.
Direct link to Lay Summary Last update: 22.10.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
165774 Tuning the magnetization relaxation times of surface supported single-molecule magnets by ultrathin decoupling layers 01.01.2017 Project funding (Div. I-III)
142474 Magnetic and Optical Investigations of Surface-Deposited Single-Ion Magnets 01.05.2013 Ambizione
189606 Ultra-high field, ultra-high vacuum, low temperature cryostat for x-ray magnetic dichroism 01.04.2020 R'EQUIP

Abstract

Functional magnetic materials are highly relevant for future communication, storage or quantum information processing devices. In this context the all-optical manipulation of magnetization in such materials is very appealing because ultimately it allows to achieve ultrafast timescales combined with very high spatial resolution. Furthermore, resonant optical excitations can selectively address particular quantum states, and thus they allow to perform operations with a high level of control. Combining such resonant optical excitations with the variability, chemical functionalization options, robustness and surface self-assembly of spins in molecules will result in radically new options for quantum spintronics devices, spin-photon interfacing and sensing of surface magnetic fields and their fluctuations.In this proposal we address a range of different optically accessible materials including erbium-containing molecular single-molecule magnets and quantum bits, and iron-cobalt photoswitchable molecular magnets of the molecular Prussian blue analogue (PBA) family. Specifically, we aim at selectively writing either one of the two states (spin-up/spin-down or dia-/paramagnetic, respectively) all-optically into monolayers of surface adsorbed single-molecule magnets and PBAs. Strategically, regarding the erbium compounds we will focus on the spectroscopy of different bulk materials in a first step. Later on, we will concentrate on the investigations of thin films and molecular monolayers. For the PBA systems monolayer experiments are foreseen already in the first project phase since their bulk properties are mostly known from pre-studies.We will use ultra-high resolution scanning laser absorption spectroscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) in magnetic field and at low temperature, as well as X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD), which will be performed in the presence of suitable laser excitations. Density-functional theory (DFT) calculations will be used to elucidate the structure of surface-deposited species. In addition the recently developed ligand-field DFT (LF-DFT) method will be explored in order to calculate optical spectra of bulk and surface adsorbed lanthanide containing molecular magnets. The demonstration of such on-surface optical writing of information into monolayers of single-molecule magnets and PBAs will constitute a major breakthrough in the application of molecular spins as quantum bits and storage devices.
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