20.11.2018

Schalten mit Molekülen

Organisches Molekül kann zwei unterschiedliche Zustände dauerhaft annehmen. 

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. 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.

Abb.: Molekül-Schalter: Ein flaches Molekül auf einer Oberfläche aus Bismut- und Silberatomen. Das zentrale Manganatom kann seine Position verändern. (Bild: J. Kügel & M. Karolak, JMU)

„Wir haben mit einem Mangan-Phthalo­cyanin-Molekül gearbeitet, einem Farbstoff, der normaler­weise nicht schaltbar ist“, sagt Giorgio Sangiovanni vom Institut für Theo­retische Physik und Astro­physik. Um daraus dennoch einen mole­kularen Schalter zu konstruieren, musste Jens Kügel, Postdoc am Lehrstuhl für Experi­mentelle Physik II, 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 quasi eine Brücke über dieses Flussbett.

Seine Schalt­barkeit erhält das Molekül durch einen technischen Eingriff von 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 Kügel. 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 – verursacht durch den Kondo-Effekt – bemerkbar macht.

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“, erläutern die Forscher. Sie haben damit ein neues Konzept entwickelt, molekulare Schalter zu bauen. Dies eröffnet aus ihrer Sicht in Zukunft neue Möglich­keiten im Design mole­kularer Elektronik.

JMU Würzburg / JOL

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