Ajankohtaista

Väitös: Väitös 20.4.2018: Molekyyleillä kohti kvanttivallankumousta (Mansikkamäki)

Alkamisaika: perjantai 20. huhtikuuta 2018, 12.00

Päättymisaika: perjantai 20. huhtikuuta 2018, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, KEM4

Uudenlaisten molekyylien magneettisista ominaisuuksista on saatu uutta tutkimustietoa, jota voidaan hyödyntää mikroskooppisten rakennuspalikoiden suunnittelemisessa tulevaisuuden kvanttiteknologioihin.

Yksittäismolekyylimagneetit ovat molekyylejä, jotka muistavat kauan niihin aiemmin kohdistetun magneettikentän suunnan ja tästä syystä niihin voidaan ”kirjoittaa” informaatiota. Perinteisissä magneettiseen tallentamiseen käytetyissä materiaaleissa tieto on varastoituna ykkösinä ja nollina, mutta yksittäismolekyylimagneeteissa tieto voi olla kirjoitettuna myös äärettömän monena erilaisena yhdistelmänä ykkösestä ja nollasta. Tämä mahdollistaa sen, että yksittäismolekyylimagneetteja voidaan tulevaisuudessa käyttää esimerkiksi kvanttitietokoneiden laskentayksiköissä. Käytännön sovellusten kannalta on kuitenkin ongelmallista, että yksittäismolekyylimagneettien ominaisuudet ovat havaittavissa yleensä vain äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa, jotka voidaan saavuttaa ainoastaan laboratorio-olosuhteissa. Jotta tällaisia materiaaleja voitaisiin hyödyntää käytännön teknologisissa innovaatioissa, täytyy materiaaleja kehittää siten, että ne toimivat myös helpommin saavutettavissa olosuhteissa.

Mansikkamäki AkseliAkseli Mansikkamäki tutki väitöskirjatyössään uusien magneettisten molekyylien elektronirakennetta ja magneettisia ominaisuuksia käyttäen tietokoneavusteisia laskennallisia menetelmiä ja teoreettisen fysiikan malleja. Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti suuntariippuvien eli anisotrooppisten magneettisten ominaisuuksien ja vuorovaikutusten tutkimiseen. Useissa tarkastelluissa molekyyleissä oli raskaita lantanidi-ioneja, jotka elektronirakenteessa puolesta soveltuvat erityisen hyvin yksittäismolekyylimagneettien rakenneosiksi.

- Näiden ionien elektronirakenteen mallintaminen on kuitenkin äärimmäisen vaikeaa, koska laskuissa täytyy huomioida suhteellisuusteoria sekä siihen liittyvä elektronien magneettisen momentin kytkeytyminen niiden ratapyörimisliikkeeseen. Laskut ovat kuitenkin mahdollisia käyttämällä merkittäviä tietokoneresursseja ja tehokkaita ohjelmistoja, kertoo Mansikkamäki.

Alkuaskel yksittäismolekyylimagneettien soveltamiseen

Uusien, parempien yksittäismolekyylimagneettien suunnittelu vaatii syvällistä ymmärrystä siitä, miten yksittäisten molekyylien magneettiset ominaisuudet liittyvät niiden elektronirakenteeseen, ja miten tähän elektronirakenteeseen voi vaikuttaa molekyylien kemiallisella muokkauksella.

Tutkimuksen aikana muun muassa karakterisoitiin uusi yksittäismolekyylimagneetti, jonka magneettiset ominaisuudet säilyvät ennätyksellisessä 60 kelvinin lämpötilassa, sekä kehitettiin uusi malli lantanidi-ionien välisen voimakkaan vuorovaikutuksen kuvaamiseen. Lisäksi saatiin paljon tietoja molekyylien kemiallisen rakenteen vaikutuksesta niiden magneettisiin ominaisuuksiin.

- Tutkimustuloksia voidaan hyödyntää uusien yksittäismolekyylimagneettien suunnittelussa. Tällaiset systeemit voivat olla tulevaisuudessa ratkaisevassa asemassa informaatioteknologian uudessa kvanttivallankumouksessa, sanoo Mansikkamäki.

FM Akseli Mansikkamäen kemian väitöskirjan "Theoretical and Computational Studies of Magnetic Anisotropy and Exchange Coupling in Molecular Systems" tarkastustilaisuus perjantaina 20.4.2018 klo 12:00 salissa KEM4. Vastaväittäjänä professori Juha Vaara (Oulun yliopisto) ja kustoksena professori Heikki Tuononen (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuus on englanninkielinen.

Lisätietoja:

Akseli Mansikkamäki valmistui ylioppilaaksi Tampereen lyseon lukiosta vuonna 2006. Hän aloitti kemian opinnot Jyväskylän yliopistossa syksyllä 2009 ja valmistui filosofian maisteriksi vuonna 2013 pääaineenaan fysikaalinen kemia. Vuodesta 2014 alkaen hän on työskennellyt Jyväskylän yliopistossa ensin tohtorikoulutettavana ja tällä hetkellä projektitutkijana. Väitöskirjatutkimuksen aikana hän on toiminut myös vierailevana tutkijana Leuvenin yliopistossa Belgiassa.

Väitöskirja on julkaistu sarjassa Department of Chemistry, University of Jyväskylä Research Report Series numerona 207, 190 s., Jyväskylä 2018, ISSN 0357-346X; 207, ISBN 978-951-39-7386-5 (painettu), ISBN 978-951-39-7387-2 (digitaalinen). Linkki väitöskirjaan: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-7387-2

Abstract: The field of molecular magnetism studies the magnetic properties of molecular systems as opposed to conventional metal-based magnets. The high chemical modifiability of the constituting molecules makes such materials highly versatile, and the small size of the building blocks leads to the rise of various quantum mechanical phenomena, such as tunneling and entanglement. These phenomena can then be further utilized in the construction of nanoscale quantum devices.

This dissertation describes computational and theoretical studies in the field of molecular magnetism using state-of-the-art quantum chemical methods based on ab initio multireference approaches and broken symmetry density functional theory. Of the eight papers included in this work, the first three describe the experimental and computational characterization of magnetic interactions between organic radicals, transition metal ions, and lanthanide ions. The next paper introduces an approach to design ferromagnetically coupled organic radical dimers, which can be used in the construction of magnets consisting of purely organic molecules. This theory can also be extended to the design of organo-main-group radical systems and ferromagnetically coupled metal–radical complexes. The following three papers focus on the study of magnetic anisotropy in mono- and polymetallic Dy(III) coordination complexes. The last paper develops a theoretical model for the description of anisotropic spin-dependent delocalization and applies this model to study the magnetic interactions in excited states of bilanthanide endohedral metallo-fullerenes. In all cases where computational tools are applied to experimentally characterized systems, the computations offer more insight into the electronic structure and chemical properties of the systems, giving rise to the various macroscopically observed magnetic phenomena than what could be obtained by experimental tools only. The results contribute to our understanding of magnetically interesting molecular systems and suggest new research directions in the field.

Lisätietoja

Akseli Mansikkamäki
akseli.mansikkamaki@jyu.fi
kuuluu seuraaviin kategorioihin: