Magnetische Momente im Blick

Forschern der Universität Straßburg sowie der Forschungs­zentren in San Sebastián und Jülich ist es gelungen, magne­tische Momente bis auf die atomare Ebene sichtbar zu machen. Für ihre Untersuchung nutzten sie ein Rastertunnel­mikroskop, das seit vielen Jahren zum wissen­schaftlichen Standard gehört. Mit einem nickelhaltigen Molekül, das sie an die Spitze des Mikroskops hefteten, hatten die Forscher das Gerät für magnetische Kräfte empfindlich gemacht. Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten, grundlegende Erkennt­nisse auf dem Gebiet der Nano­elektronik und für die Entwicklung zukünftiger Anwendungen, beispiels­weise von Datenspeichern und Quanten­simulatoren, zu gewinnen.

Rastersonden­mikroskope verfügen über eine scharfe Nadel, mit deren Ende sie die Oberfläche einer Probe abtasten, um die Erhebungen und Vertiefungen zwischen einzelnen Atomen und Molekülen zu erfassen. Der Abstand zwischen Mikroskop-Spitze und Proben­oberfläche lässt sich dabei über einen winzigen elektrischen Strom steuern, der zu fließen beginnt, sobald sich beide Seiten bis auf den Bruchteil eines Nanometers annähern. In den letzten zehn Jahren gelang es Wissen­schaftlern in verschiedenen Labors weltweit, die Funktion der Geräte maßgeblich zu verbessern und zu erweitern, indem sie die Tastspitze der Mikroskope geschickt veränderten. So lässt sich etwa über die Anbindung eines kleinen Moleküls wie Kohlen­monoxid oder Wasserstoff an der Mikroskop-Spitze eine beispiellose Verbesserung der Auflösung erzielen, mit der dann sogar die Abbildung chemischer Bindungen möglich ist. 

Einen ähnlichen Ansatz verfolgte auch das inter­nationale Forscherteam, um die Spitze des Mikroskops für magnetische Momente empfindlich zu machen. Die Wissenschaftler platzierten dazu einen molekularen Quanten­magneten, der ein Nickelatom enthält. Dieses Molekül ist im Grundzustand praktisch unmagnetisch. Durch elektrische Anregung lässt es sich aber leicht in verschiedene magnetische Zustände versetzen, so dass es wie ein winziger Magnet wirkt, mit dem sich magnetische Momente in einer einzig­artigen räumlichen Auflösung und Empfind­lichkeit auf atomarer Skala abbilden lassen.

Die Technik ermöglicht es erstmals, die atomare Struktur von Oberflächen zusammen mit ihren magnetischen Eigen­schaften zu erfassen. Das Verfahren ist zudem relativ einfach zu repro­duzieren, sodass es ohne größere Schwierigkeiten von anderen Forschungs­gruppen übernommen werden kann. So werden erstmals magnetische Momente in komplexen magne­tischen Strukturen zugänglich, die bisher verborgen waren und die für das Verständnis der magne­tischen Eigenschaften komplexer Materialien wichtig sind – beispielsweise für die Entwicklung neuartige Daten­speicher oder Quanten­simulatoren. Und die Methode bringt noch einen weiteren Vorteil mit sich. Da der Grundzustand des ange­hefteten Moleküls nicht magnetisch ist, beeinflusst die Messung das zu unter­suchende System nur minimal – das ist wichtig, um empfindliche Zustände im Nanobereich nicht zu zerstören.

FZJ / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  B. Verlhac et al.: Atomic-scale spin sensing with a single molecule at the apex of a scanning tunneling microscope, Science 366, 623 (2019); DOI: 10.1126/science.aax8222
• Peter Grünberg Institut, Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3), Forschungszentrum Jülich FZJ