Magnetische Moleküle

Forscher rechnen mit Neodym

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Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Jülich und Aachen hat erstmals besonders robuste magnetische Moleküle hergestellt, deren magnetische Informationen sich auf direktem Weg elektrisch auslesen lassen.

Magnetische Moleküle gelten als aussichtsreiche Schaltelemente für die Informationsverarbeitung der Zukunft. Die Grundlagenforscher aus Jülich und Aachen haben ihren Durchbruch durch die Wahl des Selten-Erd-Metalls Neodym als zentralen Baustein des Moleküls erzielt. Die Forschungsergebnisse hat die Fachzeitschrift "Nature Communications" heute online veröffentlicht (DOI: 10.1038/ncomms3425).

Mit der wenige Atome großen Spitze eines Rastertunnelmikroskops (oben) leiteten die Forscher elektrischen Strom durch ein magnetisches Doppeldeckermolekül, das sie zuvor auf einer Kupferschicht platziert haben. Im Zentrum befindet sich ein Neodym-Atom (rot).
Mit der wenige Atome großen Spitze eines Rastertunnelmikroskops (oben) leiteten die Forscher elektrischen Strom durch ein magnetisches Doppeldeckermolekül, das sie zuvor auf einer Kupferschicht platziert haben. Im Zentrum befindet sich ein Neodym-Atom (rot).
Foto: FZ Jülich

Die Verkleinerung von Prozessoren nähere sich zunehmend den physikalischen Grenzen, heißt es in einer Mitteilung. Gleichzeitig nehme der weltweite Energieverbrauch durch die Informations- und Kommunikationstechnologie ständig zu und verlange neue Ansätze, um das immer umfangreichere Datenaufkommen zu bewältigen. Einen Ausweg bieten möglicherweise magnetische Moleküle. Sie könnten die Rolle klassischer Elektronikbausteine wie Dioden oder Transistoren übernehmen. Im Gegensatz zu jenen lassen sie sich schon mit minimaler Spannung - und somit stark reduziertem Energieverbrauch - steuern und weisen wesentlich ausgefeiltere Schaltfunktionen auf, die vom Magnetismus der Moleküle abhängen.

Magnetische Moleküle fungieren wie winzige Magnete und können Informationen in Form von Stromsignalen verarbeiten. Die Zahl ihrer Atome ist stets gleich; sie lassen sich außerdem funktionsspezifisch designen und preisgünstig in immer wieder identischer Form herstellen. Damit man diese sogenannte molekulare Spinelektronik technisch nutzen kann, muss jedoch die magnetische Struktur der Moleküle gut abgeschirmt vor Umwelteinflüssen, gleichzeitig aber auch zugänglich für elektrischen Strom sein.

"Man könnte auch sagen, Strom und Magnetismus müssen miteinander kommunizieren können", erklärtDaniel Bürgler vom Forschungszentrum Jülich und der Jülich Aachen Research Alliance. Das Team, dem der Physiker angehört, hat ein Molekül hergestellt, das diese Anforderungen erfüllt: "Bei Neodym-Phthalocyanin beteiligen sich dieselben Elektronen, die den Magnetismus erzeugen, auch am elektrischen Transport", so Bürgler weiter. Dies konnten die Forscher durch den Vergleich simulierter Daten mit experimentellen Werten nachweisen.

Neodym gehört zu den Seltenen Erden. Moleküle aus Selten-Erd-Atomen und Phthalocyaninen, die in der Natur als Blattfarbstoffe vorkommen, gelten als besonders stabil und schirmen den magnetischen Zustand der zentralen Selten-Erd-Atome gut ab. Bisher war es aber nicht gelungen, diese magnetischen Informationen direkt auf elektrischem Weg aus den Molekülen auszulesen - die elektrische Kontaktierung dieser Moleküle führte bisher dazu, dass der elektrische Strom kaum von der magnetischen Struktur beeinflusst wurde.

Um ein geeignetes Selten-Erd-Atom zu identifizieren, hatten die Forscher die Verteilung der Elektronen analysiert, von denen nur einige die magnetische Struktur erzeugen. Diese sollten tief genug in der Elektronenwolke liegen, um nicht von Umgebungseinflüssen beeinträchtigt zu werden. Gleichzeitig durften sie nicht so tief liegen, dass sie nicht mehr mit den Elektronen interagieren können, die den elektrischen Strom leiten. Genau diese Bedingungen erfüllt Neodym, weil es leichter ist als andere Lanthanoide und sich seine Elektronen in einer größeren Wolke verteilen.