Mini-Magnetzentren im Schachbrettmuster

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Daten­speicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul-Scherrer-Instituts (PSI) haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferri­magneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrett­muster anordnen.

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegen­gesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi flache Ferrimagneten wären gut geeignet, um als Sensoren, Daten­speicher oder in einem Quanten­computer zum Einsatz zu kommen, da sich bei der zwei­dimensionalen Anordnung der Magnet­zustand der einzelnen Atome oder Moleküle auslesen lässt. Allerdings war es aus mathematischen und geometrischen Gründen bisher nicht möglich, zweidimensionale Ferri­magneten herzustellen. Die Wissenschaftler um Thomas Jung, der sowohl am PSI wie auch am Departement Physik der Universität Basel eine Forschungs­gruppe leitet, haben nun eine Möglichkeit zur Herstellung eines zwei­dimensionalen Ferrimagneten gefunden.

Zunächst stellten die Forscher Phytalocyanine her. Dabei handelt es sich um Kohlen­wasser­stoff­verbindungen, die verschiedene magnetische Zentren aus Eisen und Mangan besitzen. Werden diese Phytalocyanine auf eine Gold­oberfläche aufgebracht, ordnen sie sich selbst zu einem Schach­brett­muster an, bei dem sich Moleküle mit Eisen- und Mangan­zentrum abwechseln. In Experimenten konnten die Forscher belegen, dass die Fläche magnetisch ist, dass der Magnetismus des Eisens und des Mangans verschieden stark ist sowie in entgegen­gesetzte Richtungen zeigt – alles Eigenschaften, die einen Ferri­magneten kennzeichnen.

„Ausschlaggebend für diese Eigenschaften ist das elektrisch leitende Goldsubstrat, das die magnetische Ordnung vermittelt“, erklärt Jan Girovsky vom PSI. „Ohne das Goldsubstrat würden die magnetischen Atome nichts voneinander spüren und das Material wäre auch nicht magnetisch.“

Die entscheidende Wirkung der Leitungs­elektronen im Gold­substrat zeigt sich in einem physikalischen Effekt, der mittels Rastertunnel­mikroskopie unter jedem magnetischen Atom nachgewiesen werden konnte. Die Experimente wurden bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt und liefern so Hinweise auf die Stärke der magnetischen Kopplung in dem neuartigen magnetischen Material. Modell­rechnungen bestätigten den experimentell beobachteten Effekt und lieferten den Hinweis, dass spezielle, an die Oberfläche gebundene Elektronen im Goldsubstrat für diese Art des Magnetismus verantwortlich sind.

„Die Arbeit zeigt, dass sich mit einer geschickten Kombination von Materialien und einer speziellen Nanoarchitektur neue Materialien herstellen lassen, die eigentlich gar nicht möglich wären“, erläutert Nirmalya Ballav vom Indian Institute of Science Education and Research in Pune (Indien), der bereits seit einigen Jahren mit Thomas Jung die Eigenschaften von molekularen Nano­schachbrett-Architekturen studiert. Die magnetischen Moleküle besitzen ein grosses Potenzial für verschiedene zukünftige Anwendungen, da ihr Magnetismus einzeln untersucht und mithilfe der Raster­sonden­mikroskopie auch gezielt verändert werden kann.

U. Basel / DE