Molekül wird zum Schalter

Es sieht aus wie ein Kreuz mit vier exakt gleich langen Armen, in deren Schnittpunkt in der Mitte ein zentrales Atom sitzt. Sämtliche Bausteine sind in einer Ebene angeordnet, sodass das Molekül absolut plan ist – zumindest im Normalzustand. Jetzt ist es Physikern der Universität Würzburg gelungen, dieses Molekül mithilfe einer speziellen Auflage und eines elektrischen Felds so zu manipulieren, dass es zwei unterschiedliche Zustände dauerhaft annehmen kann. Damit könnte es sich als eine Art „molekularer Schalter“ für die Spintronik anbieten – einer zukunftsträchtigen Form der Datenverarbeitung, die auf dem Spin von Elektronen basiert.

Der Molekülschalter ist das Produkt einer Zusammenarbeit von Vertretern der experimentellen und der theoretischen Physik an der Julius-Maximilians-Universität (JMU): Dr. Jens Kügel, Postdoc am Lehrstuhl für Experimentelle Physik II, konzipierte und führte die Experimente durch. Giorgio Sangiovanni, Professor für Theoretische Physik am Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, kümmerte sich um deren Interpretation. Ihre Forschungsergebnisse hat das Team jetzt in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift npj Quantum Materials veröffentlicht.

Brückenbau mit einem Farbstoffmolekül

„Wir haben mit einem Mangan-Phthalocyanin-Molekül gearbeitet, einem Farbstoff, der normalerweise nicht schaltbar ist“, beschreibt Sangiovanni die Vorgehensweise der Physiker. Um daraus dennoch einen molekularen Schalter zu konstruieren, musste Jens Kügel einen Trick anwenden. Dazu brachte er das Molekül auf einer sehr speziellen metallischen Oberfläche auf, die aus Silber- und Bismutatomen aufgebaut war.

Weil Bismutatome deutlich größer sind als Silberatome, ziehen sie sich dank ihrer regelmäßigen Anordnung wie niedrige Mauern über die Metalloberfläche. Unregelmäßigkeiten in dieser Struktur führen zu einem größeren Abstand zwischen zwei Bismutbereichen, die man sich als ein ausgetrocknetes Flussbett vorstellen kann. Das Mangan-Phthalocyanin-Molekül bildet dann – um im Bild zu bleiben – eine Brücke über dieses Flussbett.

Schaltung per elektrischem Feld

Seine Schaltbarkeit erhält das Molekül durch einen technischen Eingriff von Jens Kügel. Näherte er sich mit einer extrem feinen Spitze, von der ein elektrisches Feld ausging, dem Manganatom im Zentrum des Moleküls, veränderte dies seine Lage – konkret wanderte es ein stückweit nach unten in Richtung der metallischen Oberfläche – und verharrte dort außerhalb der Molekülebene dauerhaft. „Auf diese Weise nahm das Molekül zwei stabile Zustände ein, zwischen denen wir hin- und herschalten konnten“, sagt der Physiker.

Physikalisch gesehen bildet das Molekül durch die Lageveränderung seines zentralen Atoms ein großes magnetisches Moment aus. Aufgrund spezieller quantenphysikalischer Phänomene wirkt sich diese Lageveränderung auf das gesamte Molekül aus, was sich nach außen durch stark unterschiedliche magnetische Eigenschaften bemerkbar macht. In der Fachsprache der Physik wird dies als Kondo-Effekt bezeichnet.

Ein neues Konzept zum Bau molekularer Schalter

Normalerweise werden molekulare Schalter so synthetisiert, dass sie von sich aus in mehreren Zuständen stabil sind. „Wir haben jetzt gezeigt, dass man auch in nichtschaltbaren Molekülen diese Funktionalität erzeugen kann, indem man die Umgebung des Moleküls gezielt verändert“, schilderten Kügel und Sangiovanni das zentrale Ergebnis der jetzt veröffentlichten Arbeit. Die Physiker haben damit ein neues Konzept entwickelt, molekulare Schalter zu bauen. Dies eröffnet aus ihrer Sicht in Zukunft neue Möglichkeiten im Design molekularer Elektronik.

Erfolgreiche Kooperation im Sonderforschungsbereich

Die erfolgreiche Zusammenarbeit von theoretischen und experimentellen Physikern an der Universität Würzburg basiert auch auf dem hier angesiedelten Sonderforschungsbereich „Topologische und korrelierte Elektronik in Ober- und Grenzflächen“ – kurz: ToCoTronics. In dessen Fokus stehen spezielle physikalische Phänomene – elektronische Korrelationen und topologische Physik und vor allem ihr Wechselspiel, die großes Anwendungspotential für neuartige und zukunftsweisende Technologien besitzen.

Reversible magnetic switching of high-spin molecules on a giant Rashba surface. Jens Kügel, Michael Karolak, Andreas Krönlein, David Serrate, Matthias Bode & Giorgio Sangiovanni. npj Quantum Materials, https://doi.org/10.1038/s41535-018-0126-z

Kontakt

Prof. Dr. Giorgio Sangiovanni, T: +49 931 31-89100, sangiovanni@physik.uni-wuerzburg.de

Dr. Jens Kügel, T: +49 931 31-85085, jens.kuegel@physik.uni-wuerzburg.de