Skip to main content
SpringerLink
Log in

Molecular Quantum Spintronics Using Single-Molecule Magnets

  • Chapter
Molecular Magnets

Part of the book series: NanoScience and Technology ((NANO))

Abstract

The objective of molecular quantum spintronics is to combine the concepts of spintronics, molecular electronics and quantum computing in order to fabricate, characterize, and study molecular devices (for example molecular spin-transistors and molecular spin-valves) allowing the read-out and manipulation of the spin states of one or several molecules. The main first goal is to perform basic quantum operations. The visionary concept of molecular quantum spintronics is underpinned by worldwide research on molecular magnetism and supramolecular chemistry. Indeed, chemists have acquired a strong expertise in tuning, controlling and manipulating the properties of the molecules (spin, anisotropy, redox potential, light, electrical field…) allowing the creation of tuneable devices with new functionalities. This chapter summarizes the concepts and the first important results in this new research area, which open up prospects for new spintronic devices with quantum properties.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this chapter

Log in via an institution
eBook
USD 16.99
Price excludes VAT (USA)
  • Available as EPUB and PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
Softcover Book
USD 109.99
Price excludes VAT (USA)
  • Compact, lightweight edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info
Hardcover Book
USD 109.99
Price excludes VAT (USA)
  • Durable hardcover edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info

Tax calculation will be finalised at checkout

Purchases are for personal use only

Institutional subscriptions

References

  1. L. Bogani, W. Wernsdorfer, Nat. Mater. 7(3), 179 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  2. S. Sanvito, A.R. Rocha, J. Comput. Theor. Nanosci. 3, 624 (2006)

    Google Scholar 

  3. G. Christou, D. Gatteschi, D. Hendrickson, R. Sessoli, Mater. Res. Soc. Bull. 25, 66 (2000)

    Article  Google Scholar 

  4. A. Cornia, A.C. Fabretti, L. Zobbi, A. Caneschi, D. Gatteschi, M. Mannini, R. Sessoli, Struct. Bond. 122, 133 (2006)

    Article  Google Scholar 

  5. B. Fleury, L. Catala, V. Huc, C. David, W. Zhong, P. Jegou, L. Baraton, S.P.P. Albouy, T. Mallah, Chem. Commun. 2020 (2005). doi:10.1039/B419271K

  6. A. Naitabdi, J. Bucher, P. Gerbier, P. Rabu, M. Drillon, Adv. Mater. 17, 1612 (2005)

    Article  Google Scholar 

  7. E. Coronado, A. Forment-Aliaga, A. Gaita-Arino, C. Giménez-Saiz, F. Romero, W. Wernsdorfer, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 43, 6152 (2004)

    Article  Google Scholar 

  8. L. Bogani, L. Cavigli, M. Gurioli, R. Novak, M. Mannini, A. Caneschi, F. Pineider, R. Sessoli Clemente-Léon, E. Coronado, A. Cornia, D. Gatteschi, Adv. Mater. 19, 3906 (2007)

    Article  Google Scholar 

  9. N. Ishikawa, M. Sugita, W. Wernsdorfer, J. Am. Chem. Soc. 127, 3650 (2005)

    Article  Google Scholar 

  10. N. Ishikawa, M. Sugita, W. Wernsdorfer, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 44, 2 (2005)

    Google Scholar 

  11. J.R. Friedman, M.P. Sarachik, J. Tejada, R. Ziolo, Phys. Rev. Lett. 76, 3830 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  12. L. Thomas, F. Lionti, R. Ballou, D. Gatteschi, R. Sessoli, B. Barbara, Nature (London) 383, 145 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  13. C. Sangregorio, T. Ohm, C. Paulsen, R. Sessoli, D. Gatteschi, Phys. Rev. Lett. 78, 4645 (1997)

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. W. Wernsdorfer, M. Murugesu, G. Christou, Phys. Rev. Lett. 96, 057208 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  15. W. Wernsdorfer, R. Sessoli, Science 284, 133 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. W. Wernsdorfer, N.E. Chakov, G. Christou, Phys. Rev. Lett. 95, 037203 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  17. A. Ardavan, O. Rival, J.J. Morton, S.J. Blundell, A.M. Tyryshkin, G.A. Timco, R.E.P. Winpenny, Phys. Rev. Lett. 98, 057201 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  18. S. Carretta, P. Santini, G. Amoretti, T. Guidi, J.R. Copley, Y. Qiu, G.A. Timco, R.E.P. Winpenny, Phys. Rev. Lett. 98, 167401 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  19. S. Bertaina, S. Gambarelli, T. Mitra, B. Tsukerblat, A. Muller, B. Barbara, Nature 453, 203 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. T. Komeda, H. Isshiki, J. Liu, Y. Zhang, N. Lorente, K. Katoh, B.K. Breedlove, M. Yamashita, Nat. Commun. 2, 217 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. Y.S. Fu, J. Schwöbel, S.W. Hla, A. Dilullo, G. Hoffmann, S. Klyatskaya, M. Ruben, R. Wiesendanger, Nano Lett. 12(8), 3931 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. J. Schwoebel, Y.S. Fu, J. Brede, A. Dilullo, G. Hoffmann, S. Klyatskaya, M. Ruben, R. Wiesendanger, Nat. Commun. 3, 953 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  23. R. Vincent, S. Klyatskaya, M. Ruben, W. Wernsdorfer, F. Balestro, Nature 488, 357 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. S. Thiele, R. Vincent, M. Holzmann, S. Klyatskaya, M. Ruben, F. Balestro, W. Wernsdorfer, Phys. Rev. Lett. 111, 037203 (2013)

    Article  ADS  Google Scholar 

  25. P. Wahl, P. Simon, L. Diekhoner, V. Stepanyuk, P. Bruno, M. Schneider, K. Kern, Phys. Rev. Lett. 98, 056601 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  26. C.F. Hirjibehedin, C.Y. Lin, A.F. Otte, M. Ternes, C.P. Lutz, B.A. Jones, A.J. Heinrich, Science 317, 1199 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  27. H. Park, A.K.L. Kim, A.P. Alivisatos, J. Park, P.L. McEuen, Appl. Phys. Lett. 75, 301 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  28. H.B. Heersche, Z. de Groot, J.A. Folk, H.S.J. van der Zant, C. Romeike, M.R. Wegewijs, L. Zobbi, D. Barreca, E. Tondello, A. Cornia, Phys. Rev. Lett. 96, 206801 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  29. M.H. Jo, J. Grose, K. Baheti, M. Deshmukh, J. Sokol, E. Rumberger, D. Hendrickson, J. Long, H. Park, D. Ralph, Nano Lett. 6, 2014 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. N.E. Chakov, M. Soler, W. Wernsdorfer, K.A. Asbboud, G. Christou, Inorg. Chem. 44, 5304 (2005)

    Article  Google Scholar 

  31. M. Mannini, P. Sainctavit, R. Sessoli, C. Cartier dit Moulin, F. Pineider, M.A. Arrio, A. Cornia, D. Gatteschi, Chemistry 14(25), 7530 (2008)

    Article  Google Scholar 

  32. E. Burzurí, A.S. Zyazin, A. Cornia, H.S.J. van der Zant, Phys. Rev. Lett. 109, 147203 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. 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(9), 3307 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. A. Pasupathy, R. Bialczak, J. Martinek, J. Grose, L. Donev, P. McEuen, D. Ralph, Science 306, 86 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  35. N. Roch, S. Florens, V. Bouchiat, W. Wernsdorfer, F. Balestro, Nature 453, 633 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  36. M. Urdampilleta, S. Klyatskaya, J.P. Cleuziou, M. Ruben, W. Wernsdorfer, Nat. Mater. 10, 502 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  37. B. Lassagne, D. Ugnati, M. Respaud, Phys. Rev. Lett. 107, 130801 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  38. M. Ganzhorn, W. Wernsdorfer, Phys. Rev. Lett. 108, 175502 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  39. M. Ganzhorn, S. Klyatskaya, M. Ruben, W. Wernsdorfer, Nat. Nanotechnol. 8, 165 (2013)

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. J.P. Cleuziou, W. Wernsdorfer, V. Bouchiat, T. Ondarcuhu, M. Monthioux, Nat. Nanotechnol. 1, 53 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. R. Maurand, T. Meng, E. Bonet, S. Florens, L. Marty, W. Wernsdorfer, Phys. Rev. X 2, 011009 (2012)

    Article  Google Scholar 

  42. R. Maurand, Carbon nanotube squid: Josephson junction quantum dots,junction, Kondo effect and detection of single molecule magnets. Ph.D. Thesis, Joseph Fourier University, Grenoble (2011)

    Google Scholar 

  43. S. Kyatskaya, J.R.G. Mascarós, L. Bogani, F. Hennrich, M. Kappes, W. Wernsdorfer, M. Ruben, J. Am. Chem. Soc. 131(42), 15143 (2009)

    Article  Google Scholar 

  44. A. Abragam, B. Bleaney, Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions (Clarendon Press, Oxford, 1970)

    Google Scholar 

  45. N. Ishikawa, M. Sugita, T. Okubo, N. Tanaka, T. Iino, Y. Kaizu, Inorg. Chem. 42(7), 2440 (2003)

    Article  Google Scholar 

  46. K.W.H. Stevens, Proc. Phys. Soc. A 65(3), 209 (1952)

    Article  ADS  MATH  Google Scholar 

  47. H. Konami, M. Hatano, A. Tajiri, Chem. Phys. Lett. 160(2), 163 (1989)

    Article  ADS  Google Scholar 

  48. W. Wernsdorfer, Supercond. Sci. Technol. 22(6), 064013 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  49. C. Zener, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, Math. Phys. Sci. 137, 696 (1932)

    Article  ADS  Google Scholar 

  50. J.C. Charlier, X. Blase, S. Roche, Rev. Mod. Phys. 79(2), 677 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  51. J. Nygard, D.H. Cobden, P.E. Lindelof, Nature 408, 342 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  52. M. Urdampilleta, S. Klyatskaya, M. Ruben, W. Wernsdorfer, Phys. Rev. B 87, 195412 (2013)

    Article  ADS  Google Scholar 

  53. W. Wernsdorfer, S. Bhaduri, R. Tiron, D.N. Hendrickson, G. Christou, Phys. Rev. Lett. 89, 197201 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  54. W. Wernsdorfer, D. Mailly, G.A. Timco, R.E.P. Winpenny, Phys. Rev. B 72, 060409(R) (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  55. L. Sorace, C. Benelli, D. Gatteschi, Chem. Soc. Rev. 40, 3092 (2011)

    Article  Google Scholar 

  56. M. Urdampilleta, Molecular spintronics: from spin-valves to single spin detection. Ph.D. Thesis, Joseph Fourier University, Grenoble (2012)

    Google Scholar 

  57. W. Wernsdorfer, E.B. Orozco, K. Hasselbach, A.B.B. Barbara, N. Demoncy, A. Loiseau, D. Boivin, H. Pascard, D. Mailly, Phys. Rev. Lett. 78, 1791 (1997)

    Article  ADS  Google Scholar 

  58. J. Dalibard, Y. Castin, K. Mølmer, Phys. Rev. Lett. 68, 580 (1992)

    Article  ADS  Google Scholar 

  59. K. Mølmer, Y. Castin, J. Dalibard, J. Opt. Soc. Am. B 10(3), 524 (1993)

    Article  ADS  Google Scholar 

  60. K. Mølmer, Y. Castin, Quantum Semiclassical Opt. 8(1), 49 (1996)

    Article  ADS  Google Scholar 

  61. N. Sano, J. Itoh, J. Phys. Soc. Jpn. 32(1), 95 (1972)

    Article  ADS  Google Scholar 

  62. J. Korringa, Physica 16(7–8), 601 (1950)

    Article  ADS  MATH  Google Scholar 

  63. M. Weger, Phys. Rev. 128, 1505 (1962)

    Article  ADS  Google Scholar 

  64. N. Sano, S. Kobayashi, J. Itoh, Prog. Theor. Phys. Suppl. 46, 84 (1970)

    Article  ADS  Google Scholar 

  65. M. McCausland, I. Mackenzie, Adv. Phys. 28(3), 305 (1979)

    Article  ADS  Google Scholar 

  66. A. Pályi, P.R. Struck, M. Rudner, K. Flensberg, G. Burkard, Phys. Rev. Lett. 108, 206811 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  67. A.A. Kovalev, L.X. Hayden, G.E.W. Bauer, Y. Tserkovnyak, Phys. Rev. Lett. 106, 147203 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  68. D.A. Garanin, E.M. Chudnovsky, Phys. Rev. X 1, 011005 (2011)

    Article  Google Scholar 

  69. E.A. Laird, F. Pei, W. Tang, G.A. Steele, L.P. Kouwenhoven, Nano Lett. 12(1), 193 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  70. H.B. Peng, C.W. Chang, S. Aloni, T.D. Yuzvinsky, A. Zettl, Phys. Rev. Lett. 97, 087203 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  71. A.K. Hüttel, B. Witkamp, M. Leijnse, M.R. Wegewijs, H.S.J. van der Zant, Phys. Rev. Lett. 102, 225501 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  72. S. Sapmaz, P. Jarillo-Herrero, Y.M. Blanter, C. Dekker, H.S.J. van der Zant, Phys. Rev. Lett. 96, 026801 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  73. R. Leturcq, C. Stampfer, K. Inderbitzin, L. Durrer, C. Hierold, E. Mariani, M.G. Schultz, F. von Oppen, K. Ensslin, Nat. Phys. 5, 327 (2009)

    Article  Google Scholar 

  74. M. Poot, H.S. van der Zant, Phys. Rep. 511(5), 273 (2012)

    Article  ADS  Google Scholar 

  75. B. Lassagne, Y. Tarakanov, J. Kinaret, D. Garcia-Sanchez, A. Bachtold, Science 325(5944), 1107 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  76. G.A. Steele, A.K. Hüttel, B. Witkamp, M. Poot, H.B. Meerwaldt, L.P. Kouwenhoven, H.S.J. van der Zant, Science 325(5944), 1103 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  77. A.K. Hüttel et al., Nano Lett. 9(7), 2547 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  78. B. Lassagne, D. Gárcia-Sánchez, A. Aguasca, A. Bachtold, Nano Lett. 8(11), 3735 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  79. H.Y. Chiu, P. Hung, H.W.C. Postma, M. Bockrath, Nano Lett. 8(12), 4342 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  80. K. Jensen, K. Kim, A. Zettl, Nat. Nanotechnol. 3(9), 533 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  81. A. Cottet, T. Kontos, Phys. Rev. Lett. 105, 160502 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

Download references

Acknowledgements

The authors acknowledge financial support from the ANR-PNANO project MolNanoSpin No. ANR-08-NANO-002 and ERC Advanced Grant MolNanoSpin No. 226558. M. Ganzhorn acknowledges the financial support from the RTRA Nanosciences Foundation. Samples were fabricated in the NANOFAB facility of the Neel Institute. The authors are indebted to F. Balestro, E. Bonet, J.P. Cleuziou, E. Eyraud, V. Nguyen, M. Urdampilleta, S. Thiele, C. Thirion, R. Vincent.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Institut Néel, CNRS & Université J. Fourier, BP 166, 25 rue des Martyrs, 38042, Grenoble Cedex 9, France

    Marc Ganzhorn & Wolfgang Wernsdorfer

Authors
  1. Marc Ganzhorn
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. Wolfgang Wernsdorfer
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Wolfgang Wernsdorfer .

Editor information

Editors and Affiliations

  1. Condensed Matter Physics Facultad de Ciencias (A), University of Zaragoza ICMA, CSIC, Zaragoza, Spain

    Juan Bartolomé

  2. Condensed Matter Physics Facultad de Ciencias (A), University of Zaragoza ICMA, CSIC, Zaragoza, Spain

    Fernando Luis

  3. Condensed Matter Physics Facultad de Ciencias (A), University of Zaragoza ICMA, CSIC, Zaragoza, Spain

    Julio F. Fernández

Rights and permissions

Reprints and permissions

Copyright information

© 2014 Springer-Verlag Berlin Heidelberg

About this chapter

Cite this chapter

Ganzhorn, M., Wernsdorfer, W. (2014). Molecular Quantum Spintronics Using Single-Molecule Magnets. In: Bartolomé, J., Luis, F., Fernández, J. (eds) Molecular Magnets. NanoScience and Technology. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-40609-6_13

Download citation

Publish with us

Policies and ethics

Search

Navigation