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Magnetismus eines Paars magnetischer Momente in einem einzelnen Molekül elektrisch gemessen.
Physikern der FAU und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist ein außergewöhnliches Experiment gelungen: Sie konnten nachweisen, wie Magnetismus – der sich gemeinhin als Kraftwirkung zwischen zwei magnetisierten Objekten äußert – auch innerhalb eines einzigen Moleküls wirkt. Diese für die Grundlagenforschung sehr bedeutsame Entdeckung liefert den Wissenschaftlern ein neues Werkzeug, Magnetismus als elementares Phänomen der Physik besser zu verstehen.
Abb.: Elementare Physik: Forscher konnten im Experiment nachweisen, dass innerhalb eines einzigen Moleküls Magnetismus am Werk sein kann. (Bild: KIT)
Die kleinste Einheit eines Magneten ist das magnetische Moment eines einzelnen Atoms oder Ions. Koppelt man zwei solcher magnetischer Momente zusammen, ergeben sich die zwei Möglichkeiten Triplett oder Singulett. Ein Forscherteam um Mario Ruben (KIT) und Heiko Weber (FAU) wollten testen, ob man den Magnetismus eines Paars magnetischer Momente in einem einzelnen Molekül elektrisch messen kann.
Dafür hatte die Arbeitsgruppe von Ruben ein Molekül aus zwei Kobalt-Ionen für das Experiment maßgeschneidert. Weber und sein Team haben das Molekül in Erlangen in einem Einzelmolekülkontakt untersucht. Dabei bringt man zwei Metallelektroden so nahe zusammen, dass das Molekül – dessen Länge etwa zwei Nanometer beträgt – über viele Tage hinweg dazwischen stabil gehalten wird, während gleichzeitig der Strom durch den Kontakt gemessen werden kann. Diesen Experimentaufbau haben die Wissenschaftler dann unterschiedlichen – bis hin zu sehr tiefen – Temperaturen ausgesetzt.
Es zeigte sich, dass der Magnetismus so gemessen werden kann: Der magnetische Zustand innerhalb des Moleküls wurde als Kondo-Anomalie sichtbar – der Effekt, der den elektrischen Widerstand zu tiefen Temperaturen hin schrumpfen lässt. Er tritt nur dann auf, wenn tatsächlich Magnetismus wirkt und dient somit als Nachweis. Zugleich gelang es den Forschern, diesen Kondo-Effekt mit der angelegten Spannung an- und auszuschalten. Eine genaue theoretische Analyse in der Arbeitsgruppe von Karin Fink (KIT) präzisiert die verschiedenen komplexen Quantenzustände des Kobalt-Ionenpaars.
FAU / CT
