Simulierter Schalter

Ein deutsch-spanisches Forscherteam simuliert im Modell den kleinsten elektrischen Schalter. Signalgeber ist dabei das Molekül Azubenzol, das zwei verschiedene räumliche Strukturen aufweist.

„Immer kleiner, immer effizienter“ lautet die Devise, wenn es um die Entwicklung von Computern und anderen elektronischen Geräten geht. Längst bewegen sich die Bauteile in unvorstellbar kleinen Dimensionen; ein Silizium basierter Transistor beispielsweise hat heute eine Seitenlänge von 90 Nanometern. Und die Entwicklung geht weiter: Größenordnungen von einem Nanometer - das sind ein Milliardstel Millimeter! - sollen die Bauteile der Zukunft haben. Sie wären damit so klein wie Moleküle. Doch können Moleküle als elektronische Bauelemente fungieren? Sie können, sagen jene Wissenschaftler, die an der Grenze von Quantenphysik und Elektronik auf dem jungen Gebiet der „Molekularen Elektronik“ führend sind. Unter ihnen auch die von der Volkswagen-Stiftung mit 960.000 Euro geförderte Regensburger Nachwuchsgruppe um Gianaurelio Cuniberti und Wissenschaftler der Universität Madrid: Sie simulierten jüngst einen Schaltkreis, in dem ein einzelnes organisches Molekül als elektrischer Schalter agierte. Die Ergebnisse der Versuche sind in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Azobenzol heißt das Molekül, mit dem die Forscher einen der bisher wohl kleinsten elektrischen Schalter simulierten. Das Azobenzol gehört zu der Klasse von Molekülen, die in verschiedenen räumlichen Strukturen vorliegen. Solche auch als Isomere bezeichneten Zustände eines Moleküls können qualitativ unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Sie reagieren beispielsweise ganz unterschiedlich auf ein elektrisches Feld. Diesen Umstand will man sich in der molekularen Elektronik zunutze machen. Um die elektrischen Transporteigenschaften des Azobenzol-Moleküls und seiner Isomere zu untersuchen, wählten die Regensburger Physiker komplexe Computersimulationstechniken.

Abb.: Azobenzol heißt das Molekül, mit dem einer der bisher wohl kleinste elektrische Schalter im Rechner simuliert wurde. Das Molekül wurde dazu an zwei metallischen Elektroden (Kohlenstoffnanoröhren) gebunden. Einfallendes Laserlicht verändert die Konformation und damit die elektrischen Eigenschaften. (Quelle: Franz Stadler/Universität Regensburg)

Im Modell wurde das Molekül chemisch gebunden an zwei metallischen Nanoröhrchen – bestehend aus Kohlenstoffatomen –, die als Nanoelektroden wirken. Wurde nun eine elektrische Spannung angelegt, konnten Ladungen durch das Molekül fließen. In der Simulation zeigte sich, dass beide Isomere völlig verschiedene elektrische Leitungseigenschaften aufweisen. Eine Änderung der räumlichen Molekülstruktur – induziert zum Beispiel durch Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge – könnte demnach den Fluss des elektrischen Stroms dramatisch verändern und somit eine Schaltfunktion auf der molekularen Skala realisieren. Ein wichtiges Ergebnis: Die Schaltfähigkeit wird besonders beeinflusst von den chemischen Gruppen, die das Molekül an die Elektroden binden. Cuniberti und sein Team planen weiterführende Untersuchungen, um die Effizienz und die Stabilität dieses molekularen Schalters zu testen. Ihre Ergebnisse werden wichtige Informationen zur Entwicklung modernster Elektronik liefern. Bei aller Zuversicht wissen die Forscher aber auch: „Auf den molekularen Computer wird man noch eine Weile warten müssen.“

Quelle: VolkswagenStiftung

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  M. del Valle, R. Gutiérrez, C. Tejedor, G. Cuniberti, Tuning the conductance of a molecular switch, Nature Nanotechnology 2, 176 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2007.38
• Molecular Computing – Arbeitsgruppe von Gianaurelio Cuniberti:
  http://www-mcg.uni-r.de
• Universität Regensburg, Institut für Theoretische Physik:
  http://www.physik.uni-regensburg.de
• VolkswagenStiftung:
  http://www.volkswagenstiftung.de