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Finite-temperature toroidal moment amenable to direct observation in an Fe$_{10}$Dy$_{10}$ molecular ring

Soncini, Alessandro ; Hymas, Kieran; Braun, Jonas ORCID iD icon 1,2,3; Schneider, Yannik F. 1; Calvello, Simone; Baniodeh, Amer 1; Lan, Yanhua 1; Wernsdorfer, Wolfgang 3,4; Affronte, Marco; Anson, Christopher E. 1; Powell, Annie K. 2,3
1 Institut für Anorganische Chemie (AOC), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Institut für Nanotechnologie (INT), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
3 Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
4 Physikalisches Institut (PHI), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Abstract:

Single-molecule toroics host closed magnetic vortices carrying toroidal moments τ, whose electric-dipole symmetry enables magnetoelectric spin control. Yet opposite toroidal chiralities are degenerate in conventional magnetic fields, making direct detection of τ challenging. Current approaches probe toroidal dynamics only indirectly through weak residual magnetism, while finite-temperature toroidal polarisation and realistic preparation/readout conditions remain unestablished. Here we show that the Fe$_{10}$Dy$_{10}$ molecule hosts a 62-billion-dimensional low-energy manifold pervaded by toroidal character, rendered tractable by an ab initio-informed transfer-matrix framework that reproduces experimental data. The model reveals a large toroidal response robust to thermal fluctuations, quantified by a finite-temperature toroidal susceptibility ξ. We then propose a preparation-and-readout protocol in which a train of temporally asymmetric near-infrared pulses accumulates toroidal polarisation, converted through magnetoelectric response into a measurable electric-field-induced magnetic signal. These results establish Fe10Dy10 as a molecular system where τ can be prepared, accumulated and read out under realistic conditions.


Verlagsausgabe §
DOI: 10.5445/IR/1000196907
Veröffentlicht am 10.09.2026
Originalveröffentlichung
DOI: 10.1038/s41467-026-75612-6
Cover der Publikation
Zugehörige Institution(en) am KIT Institut für Anorganische Chemie (AOC)
Institut für Nanotechnologie (INT)
Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT)
Physikalisches Institut (PHI)
Publikationstyp Zeitschriftenaufsatz
Publikationsjahr 2026
Sprache Englisch
Identifikator ISSN: 2041-1723
KITopen-ID: 1000196907
Erschienen in Nature Communications
Verlag Nature Research
Band 17
Heft 1
Seiten Art.Nr: 9030
Vorab online veröffentlicht am 24.07.2026
Nachgewiesen in OpenAlex
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