Torus mit Spin
Größter molekularer Spin nahe eines Quantenphasenübergangs gefunden.
Ein internationales Forschungsteam um Annie Powell vom Karlsruher Institut für Technologie und Jürgen Schnack von der Uni Bielefeld hat ein neues magnetisches Molekül synthetisiert. Wie die Wissenschaftler nachweisen konnten, besitzt dieses den größten bisher erreichten Grundzustandsspin.
Abb.: Molekulare Struktur des ringförmigen Fe10Gd10-
Jedes einzelne Elektron besitzt einen quantenmechanischen Eigendrehimpuls, den Spin. Das neue, an der Uni Bielefeld modellierte und am KIT synthetisierte magnetische Molekül weist im Grundzustand einen Spin auf, der so groß ist wie der von 120 Elektronen zusammen. Es handelt sich damit um den größten Spin, der bisher in einem einzelnen Molekül erreicht wurde. Magnetische Moleküle sind Moleküle, die magnetische Ionen wie Eisen oder Gadolinium enthalten. Das magnetische Molekül Fe10Gd10, das die Forschungsgruppe synthetisiert und untersucht hat, hat die geometrische Struktur eines Torus.
„Im Fall des neuen Moleküls kommt eine unerwartete Eigenschaft hinzu, die auch ganz andere Anwendungen ermöglicht“, sagt Schnack: Es gibt einen Quantenphasenübergang, der die Eigenschaft des Moleküls stark beeinflusst. Bei Quantenphasenübergängen ändern Substanzen ihr Verhalten an quantenkritischen Punkten fundamental. Quantenphasenübergänge finden beim absoluten Temperaturnullpunkt statt. In dem neu synthetisierten Molekül Fe10Gd10 sind beim Übergang zehntausende Zustände entartet, sie haben also die gleiche Energie. Auf dieser absolut ebenen Energiefläche kann ohne Energieaufwand zwischen den einzelnen Zuständen hin und her geschaltet werden.
Die Entropie nimmt in so einer Situation riesige Werte an. „Es ist, als würde man auf einem hohen, spitzen Berg stehen“, erklärt Powell. „Eine kleine Änderung der äußeren Bedingungen, zum Beispiel des Drucks, reicht aus und es geht sofort steil abwärts.“ In Zukunft soll daher untersucht werden, wie sich das Molekül Fe10Gd10 durch äußeren Druck über den quantenkritischen Punkt führen lässt. Das Ziel der Erforschung magnetischer Moleküle besteht darin, sie passgenau für verschiedene Zwecke zu konstruieren, z.B. als Nano-
U. Bielefeld / RK
