Advertisement

Potentialities of Molecular Nanomagnets for Information Technologies

  • Marco Affronte
  • Filippo Troiani
Part of the NanoScience and Technology book series (NANO)

Abstract

The possibility of tailoring their functionalities at the molecular scale makes molecular nanomagnets interesting for applications in information technologies where the race for extreme miniaturization will soon lead at requiring components of few nanometers in size. Properties like the magnetic bistability or the switchability by external stimuli actually allow one to mimic, at the molecular scale, basic operations commonly used in computers while embedding magnetic molecules in suitable electronic circuits allows the fabrication of novel spintronic devices. Even more challenging is the control and the exploitation of quantum properties in molecular spin clusters that may allow the encoding of quantum information with molecules. These concepts are substantiated by many achievements obtained in the recent years and presented in this chapter along with some perspectives and next challenges for the future.

Keywords

Complementary Metal Oxide Semiconductor Quantum Information Processing Spintronic Device Spin Crossover Single Molecule Level 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Notes

Acknowledgements

We wish to thank Dr. Alberto Ghirri, Dr. Andrea Candini, Dr. Giulia Lorusso, Dr. Valdis Corradini, Dr. Valerio Bellini, Dr. Ilaria Siloi, Prof. U. del Pennino (CNR and University of Modena, Italy), Prof. S. Carretta, Prof. P. Santini and Prof. G. Amoretti (Univerity of Parma, Italy), Prof. A. Cuccoli and Dr. P. Verrucchi (University of Firenze, I) for stimulating discussions. We also wish to thank Dr. Grigore Timco and Prof. Richard Winpenny (University of Manchester, UK) for all their hints. This work was partially supported by PRIN project of the Italian Ministry of Research and by the US AFOSR/AOARD program, contract FA2386-13-1-4029.

References

  1. 1.
    P. Gütlich, H.A. Goodwin, Spin Crossover in Transition Metal Compounds (Springer, Berlin, 2004) Google Scholar
  2. 2.
    P. Gütlich, Y. Garcia, T. Woike, Coord. Chem. Rev. 219–221, 839 (2001) CrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    D. Gatteschi, R. Sessoli, J. Villain, Molecular Nanomagnets (Oxford University Press, London, 2006) CrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    M.A. Nielsen, I. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge University Press, Cambridge, 2000) zbMATHGoogle Scholar
  5. 5.
    E. Coronado, C. Martí-Gastaldo, E. Navarro-Moratalla, A. Ribera, Inorg. Chem. 49, 1313 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    I. Salitros, N.T. Madhu, R. Boća, J. Pavlik, M. Ruben, Monatsh. Chem. 140, 695 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  7. 7.
    A.R. Katritzky, J. Elguero et al., The Tautomerism of Heterocycles (Academic Press, New York, 1976) Google Scholar
  8. 8.
    A. Dei, D. Gatteschi, C. Sangregorio, L. Sorace, Acc. Chem. Res. 37, 827 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    O. Sato, J. Tao, Y.-Z. Zhang, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 46, 2152 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    N. Ishikawa, M. Sugita, T. Ishikawa, S. Koshihara, Y. Kaizu, J. Phys. Chem. B 108, 11265 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    H. Wende et al., Nat. Mater. 6, 516 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    D.A. Lidar, J.H. Thywissen, J. Appl. Phys. 96, 754 (2004) ADSCrossRefGoogle Scholar
  13. 13.
    S. Bandyopadhyay, M. Cahay, Introduction to Spintronics (CRC Press, Boca Raton, 2008) Google Scholar
  14. 14.
    M. Urdampilleta, S. Klyatskaya, J.P. Cleuziou, M. Ruben, W. Wernsdorfer, Nat. Mater. 10, 502 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    A. Candini, S. Klyatskaya, M. Ruben, W. Wernsdorfer, M. Affronte, Nano Lett. 11, 2634 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    A.S. Zyazin, J.W.G. van den Berg, E.A. Osorio, H.S.J. van der Zant, N.P. Konstantinidis, M. Leijnse, M.R. Wegewijs, F. May, W. Hofstetter, C. Danieli, A. Cornia, Nano Lett. 10, 3307 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  17. 17.
    A.A. Khajetoorians, J. Wiebe, B. Chilian, R. Wiesendanger, Science 332, 1062 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  18. 18.
    C.F. Hirjibehedin, C.P. Lutz, A.J. Heinrich, Science 312, 1021 (2006) ADSCrossRefGoogle Scholar
  19. 19.
    S. Loth, S. Baumann, C.P. Lutz, D.M. Eigler, A.J. Heinrich, Science 335, 196 (2012) ADSCrossRefGoogle Scholar
  20. 20.
    N. Atodiresei, J. Brede, P. Lazic, V. Caciuc, G. Hoffmann, R. Wiesendanger, S. Blugel, Phys. Rev. Lett. 105, 066601 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    B.L. Feringa, Molecular Switches (Wiley, New York, 2001) CrossRefGoogle Scholar
  22. 22.
    K. Matsuda, K. Takayama, M. Irie, Inorg. Chem. 43, 482 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    K. Matsuda, M. Irie, J. Am. Chem. Soc. 122, 7195 (2000) CrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    K. Matsuda, M. Matsuo, S. Mizoguti, K. Higashiguchi, M. Irie, J. Phys. Chem. B 106, 11218 (2002) CrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    M. Mas-Torrent, N. Crivillers, C. Rovira, J. Veciana, Chem. Rev. 112, 2506 (2012) CrossRefGoogle Scholar
  26. 26.
    J.F. Létard, P. Guionneau, L. Goux-Capes Top, Curr. Chem. 235, 221 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  27. 27.
    D.E. Richardson, H. Taube, J. Am. Chem. Soc. 105, 40 (1983) CrossRefGoogle Scholar
  28. 28.
    V. Marvaud, J.-P. Launay, C. Joachim, Chem. Phys. 177, 23 (1993) ADSCrossRefGoogle Scholar
  29. 29.
    T.B. Faust, V. Bellini, A. Candini, S. Carretta, L. Carthy, B.J. Coe, D. Collison, R.J. Docherty, J. Kenyon, G. Lorusso, J. Machin, E.J.L. McInnes, C.A. Muryn, R.G. Pritchard, S.J. Teat, G.A. Timco, F. Tuna, G.F. Whitehead, W. Wernsdorfer, M. Affronte, R.E.P. Winpenny, Chemistry 17, 14020 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  30. 30.
    V. Bellini, G. Lorusso, A. Candini, T.B. Faust, G.A. Timco, W. Wernsdorfer, R.E.P. Winpenny, M. Affronte, Phys. Rev. Lett. 106, 227205 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  31. 31.
    L. Venkataraman, J.E. Klare, C. Nuckolls, M.S. Hybertsen, M.L. Steigerwald, Nature 442, 904 (2006) ADSCrossRefGoogle Scholar
  32. 32.
    J.M. Lehn, Eur. J. Chem. 6(12), 2097 (2000) CrossRefGoogle Scholar
  33. 33.
    L.M. Adleman, Science 266, 1021 (1994) ADSCrossRefGoogle Scholar
  34. 34.
    M. van Rossum, Neural Computation (2011). Lecture notes Google Scholar
  35. 35.
    F. Troiani, M. Affronte, Chem. Soc. Rev. 40, 3119 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  36. 36.
    Strategic Plan of ENIAC at: http://www.eniac.eu/web/documents/general.php
  37. 37.
    K.L. Wang, J. Nanosci. Nanotechnol. 2, 235 (2002) CrossRefGoogle Scholar
  38. 38.
    W. Lu, C.M. Lieber, Nat. Mater. 6, 841 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  39. 39.
    N. Domingo, E. Bellido, D. Ruiz-Molina, Chem. Soc. Rev. 41, 258 (2012) CrossRefGoogle Scholar
  40. 40.
    M. Rancan, F. Sedona, M. Di Marino, L. Armelao, M. Sandi, Chem. Commun. 47, 5744 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  41. 41.
    A. Ghirri, V. Corradini, V. Bellini, R. Biagi, U. del Pennino, V. de Renzi, J.C. Cezar, C.A. Muryn, G.A. Timco, R.E.P. Winpenny, M. Affronte, ACS Nano 5, 7090 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  42. 42.
    M. Mannini, F. Pineider, P. Sainctavit, C. Danieli, E. Otero, C. Sciancalepore, A.M. Talarico, M.A. Arrio, A. Cornia, D. Gatteschi, R. Sessoli, Nat. Mater. 8, 194 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  43. 43.
    V. Corradini, A. Ghirri, E. Garlatti, R. Biagi, V. De Renzi, U. del Pennino, V. Bellini, S. Carretta, P. Santini, G. Timco, R.E.P. Winpenny, M. Affronte, Adv. Funct. Mater. 22, 3706 (2012) CrossRefGoogle Scholar
  44. 44.
    M.L. Plumer, J. van Ek, D. Waller, The Physics of Ultra-high Density Magnetic Recording (Springer, Berlin, 2001) CrossRefGoogle Scholar
  45. 45.
    L.K. Keniley, N. Dupont, L. Ray, J. Ding, K. Kovnir, J.M. Hoyt, A. Hauser, M. Shatruk, Inorg. Chem. 52, 8040 (2013). doi: 10.1021/ic4006949 CrossRefGoogle Scholar
  46. 46.
    E.R. Kay, D.A. Leigh, F. Zerbetto, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 46, 72 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  47. 47.
    E. Pop, Nano Res. 3, 147 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  48. 48.
    B. Behin-Aein, D. Datta, S. Salahuddin, S. Datta, Nat. Nanotechnol. 5, 266 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  49. 49.
    S. Bandyopadhyay, M. Cahay, Nanotechnology 20, 412001 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  50. 50.
    C. Chappert, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, Nat. Mater. 6, 813 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  51. 51.
    J. Ashley, M.-P. Bernal, G.W. Burr, H. Coufal, H. Guenther, J.A. Hoffnagle, C.M. Jefferson, B. Marcus, R.M. Macfarlane, R.M. Shelby, G.T. Sincerbox, IBM J. Res. Dev. 44, 341 (2000) CrossRefGoogle Scholar
  52. 52.
    M.N. Leuenberg, D. Loss, Nature 410, 789 (2001) ADSCrossRefGoogle Scholar
  53. 53.
    F. Meier, J. Levy, D. Loss, Phys. Rev. B 68, 134417 (2003) ADSCrossRefGoogle Scholar
  54. 54.
    F. Troiani, A. Ghirri, M. Affronte, S. Carretta, P. Santini, G. Amoretti, S. Piligkos, G. Timco, R.E.P. Winpenny, Phys. Rev. Lett. 94, 207208 (2005) ADSCrossRefGoogle Scholar
  55. 55.
    S. Nakazawa, S. Nishida, T. Ise, T. Yoshino, N. Mori, R.D. Rahimi, K. Sato, Y. Morita, K. Toyota, D. Shiomi, M. Kitagawa, H. Hara, P. Carl, P. Hofer, T. Takui, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 51, 9860 (2012) CrossRefGoogle Scholar
  56. 56.
    F. Troiani, A. Ghirri, M. Affronte, S. Carretta, P. Santini, G. Amoretti, S. Piligkos, G. Timco, R.E.P. Winpenny, Phys. Rev. Lett. 94, 207208 (2005) ADSCrossRefGoogle Scholar
  57. 57.
    C.J. Wedge, G.A. Timco, E.T. Spielberg, R.E. George, F. Tuna, S. Rigby, E.J.L. McInnes, R.E.P. Winpenny, S.J. Blundell, A. Ardavan, Phys. Rev. Lett. 108, 107204 (2012) ADSCrossRefGoogle Scholar
  58. 58.
    S. Bertaina, S. Gambarelli, T. Mitra, B. Tsukerblat, A. Müller, B. Barbara, Nature 453, 203 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  59. 59.
    K.-Y. Choi, Z. Wang, H. Nojiri, H. van Tol, P. Kumar, P. Lemmens, B.S. Bassil, U. Kortz, N.S. Dalal, Phys. Rev. Lett. 108, 067206 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  60. 60.
    K. Sato, S. Nakazawa, R. Rahimi, T. Ise, S. Nishida, T. Yoshino, N. Mori, K. Toyota, D. Shiomi, Y. Yakiyama, Y. Morita, M. Kitagawa, K. Nakasuji, M. Nakahara, H. Hara, P. Carl, P. Hofer, T. Takui, J. Mater. Chem. 19, 3739 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  61. 61.
    J. Lehmann, A. Gaita-Arino, E. Coronado, D. Loss, Nat. Nanotechnol. 2, 312 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  62. 62.
    M.J. Martínez-Pérez, S. Cardona-Serra, C. Schlegel, F. Moro, P.J. Alonso, H. Prima-García, J.M. Clemente-Juan, M. Evangelisti, A. Gaita-Ariño, J. Sesé, J. van Slageren, E. Coronado, F. Luis, Phys. Rev. Lett. 108, 247213 (2012) ADSCrossRefGoogle Scholar
  63. 63.
    C. Schlegel, J. van Slageren, M. Manoli, E.K. Brechin, M. Dressel, Phys. Rev. Lett. 101, 147203 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  64. 64.
    S. Takahashi, I.S. Tupitsyn, J. van Tol, C.C. Beedle, D.N. Hendrickson, P.C.E. Stamp, Nature 476, 76 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  65. 65.
    M.N. Leuenberger, D. Loss, Nature 410, 789 (2001) ADSCrossRefGoogle Scholar
  66. 66.
    S. Bertaina, S. Gambardelli, A. Tkachuk, A.N. Kurkin, B. Malkin, A. Stepanov, B. Barbara, Nat. Nanotechnol. 2, 39 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  67. 67.
    F. Luis, A. Repollés, M.J. Martonez-Pérez, D. Aguilá, O. Roubeau, D. Zueco, P.J. Alonso, M. Evangelisti, A. Camón, J. Sesé, L.A. Barrios, G. Aromí, Phys. Rev. Lett. 107, 117203 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  68. 68.
    E.C. Sañudo, T. Cauchy, E. Ruiz, R.H. Laye, O. Roubeau, S.J. Teat, G. Aromí, Inorg. Chem. 46, 9045 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  69. 69.
    L. Barrios, D. Aguilá, O. Roubeau, P. Gamez, J. Ribas-Ariño, S.J. Teat, G. Aromí, Eur. J. Chem. 15, 11235 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  70. 70.
    G. Aromí, D. Aguilá, P. Gamez, F. Luis, O. Roubeau, Chem. Soc. Rev. 41, 537 (2012) CrossRefGoogle Scholar
  71. 71.
    F. Troiani, M. Affronte, S. Carretta, P. Santini, G. Amoretti, Phys. Rev. Lett. 94, 190501 (2005) ADSCrossRefGoogle Scholar
  72. 72.
    M. Trif, F. Troiani, D. Stepanenko, D. Loss, Phys. Rev. Lett. 101, 217201 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  73. 73.
    S. Carretta, P. Santini, G. Amoretti, F. Troiani, M. Affronte, Phys. Rev. B 76, 024408 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  74. 74.
    P. Santini, S. Carretta, F. Troiani, G. Amoretti, Phys. Rev. Lett. 107, 230502 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  75. 75.
    S. Lloyd, Science 261, 1569 (1993) ADSCrossRefGoogle Scholar
  76. 76.
    S.C. Benjamin, Phys. Rev. A 61, 20301(R) (2000) ADSCrossRefGoogle Scholar
  77. 77.
    S.C. Benjamin, Phys. Rev. Lett. 88, 17904 (2001) CrossRefGoogle Scholar
  78. 78.
    S. Lloyd, Science 273, 1073 (1996) MathSciNetADSCrossRefzbMATHGoogle Scholar
  79. 79.
    I. Buluta, F. Nori, Science 236, 108 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  80. 80.
    R. Feynman, Int. J. Theor. Phys. 21, 467 (1982) MathSciNetCrossRefGoogle Scholar
  81. 81.
    Y. Kubo, F.R. Ong, P. Bertet, D. Vion, V. Jacques, D. Zheng, A. Dréau, J.-F. Roch, A. Auffeves, F. Jelezko, J. Wrachtrup, M.F. Barthe, P. Bergonzo, D. Esteve, Phys. Rev. Lett. 105, 140502 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  82. 82.
    Y. Kubo, C. Grezes, A. Dewes, T. Umeda, J. Isoya, H. Sumiya, N. Morishita, H. Abe, S. Onoda, T. Ohshima, V. Jacques, A. Dréau, J.-F. Roch, I. Diniz, A. Auffeves, D. Vion, D. Esteve, P. Bertet, Phys. Rev. Lett. 107, 220501 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  83. 83.
    A. Imamoglu, Phys. Rev. Lett. 102, 083602 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  84. 84.
    M. Trif, F. Troiani, D. Stepanenko, D. Loss, Phys. Rev. B 82, 045429 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  85. 85.
    M.F. Islam, J.F. Nossa, C.M. Canali, Phys. Rev. B 82, 155446 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  86. 86.
    N. Baadji, M. Piacenza, T. Tugsuz, F.D. Sala, G. Maruccio, S. Sanvito, Nat. Mater. 8, 813 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  87. 87.
    F. Troiani, D. Stepanenko, D. Loss, Phys. Rev. B 86, 161409 (2012) ADSCrossRefGoogle Scholar
  88. 88.
    F. Troiani, I. Siloi, Phys. Rev. A 86, 032330 (2012) ADSCrossRefGoogle Scholar
  89. 89.
    O. Gühne, G. Toth, Phys. Rep. 474, 1 (2009) MathSciNetADSCrossRefGoogle Scholar
  90. 90.
    I. Siloi, F. Troiani, Phys. Rev. B 86, 224404 (2012) ADSCrossRefGoogle Scholar
  91. 91.
    A. Candini, G. Lorusso, F. Troiani, A. Ghirri, S. Carretta, P. Santini, G. Amoretti, C. Muryn, F. Tuna, G. Timco, E.J.L. McInnes, R.E.P. Winpenny, W. Wernsdorfer, M. Affronte, Phys. Rev. Lett. 104, 034203 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  92. 92.
    F. Troiani, V. Bellini, A. Candini, G. Lorusso, M. Affronte, Nanotechnology 21, 274009 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014

Authors and Affiliations

  1. 1.Universitá di Modena e Reggio EmiliaModenaItaly
  2. 2.Institute NanoSciencesCNRModenaItaly

Personalised recommendations