Auf dem Weg zu magnetischen Transistoren

Magnetische Moleküle gelten als aussichtsreiche Schaltelemente für die Informationsverarbeitung der Zukunft. Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Jülich und Aachen hat jetzt erstmals besonders robuste magnetische Moleküle hergestellt, deren magnetische Informationen sich auf direktem Weg elektrisch auslesen lassen. Möglich wurde dies durch die Wahl des Selten-Erd-Metalls Neodym als zentraler Baustein des Moleküls.

Die Verkleinerung von Prozessoren nähert sich zunehmend den physikalischen Grenzen. Gleichzeitig nimmt der weltweite Energieverbrauch durch die Informations- und Kommunikationstechnologie ständig zu. Einen Ausweg bieten 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 können Informationen in Form von Stromsignalen verarbeiten. Die Zahl ihrer Atome ist stets gleich, und sie können funktionsspezifisch designt und preisgünstig in immer wieder identischer Form hergestellt werden. Um diese sogenannte „molekulare Spinelektronik“ technisch nutzen zu können, muss 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“, sagt Daniel Bürgler vom Forschungszentrum Jülich und der Jülich Aachen Research Alliance. Das Jülich-Aachener 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“, erläutert Bürgler. Dies konnten die Forscher durch den Vergleich simulierter Daten mit experimentellen Werten nachweisen.

Das Metall 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. Denn 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, die die Atome wie eine Wolke umschwirren. Nur einige der Elektronen erzeugen die magnetische Struktur. 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.

FZ Jülich / DE