Nanoschachbrett durch Selbstanordnung

  • Das magnetische Nanoschachbrett. Oberer Teil: Abbildung der Moleküle mit einem Rastertunnelmikroskop. Bei zwei Molekülen ist die Molekülstruktur eingezeichnet. Unterer Teil: schematische Darstellung der Selbstorganisation der Moleküle – sie passen wie Puzzleteile zusammen und fügen sich so immer abwechselnd aneinander. Grafik: Paul Scherrer Institut/C. WäckerlinDas magnetische Nanoschachbrett. Oberer Teil: Abbildung der Moleküle mit einem Rastertunnelmikroskop. Bei zwei Molekülen ist die Molekülstruktur eingezeichnet. Unterer Teil: schematische Darstellung der Selbstorganisation der Moleküle – sie passen wie Puzzleteile zusammen und fügen sich so immer abwechselnd aneinander. Grafik: Paul Scherrer Institut/C. Wäckerlin

Nanoschachbrett durch Selbstanordnung: Forscher des Paul Scherrer Instituts und des Indian Institute of Science Education and Research (Pune/Indien) haben in einer Anordnung magnetischer Moleküle gezielt den Magnetismus in jedem zweiten Molekül „abschalten" können, sodass ein magnetisches Schachbrettmuster entstand. Die magnetischen Moleküle wurden so konstruiert, dass sie von selbst ihren Platz im Nanoschachbrett finden. Damit baut sich das Nanoschachbrett von selbst zusammen.

Die Forscher konnten gezielt den Quantenzustand eines Teils der Moleküle manipulieren. Die Möglichkeit, die Zustände einzelner Quantenobjekte gezielt zu verändern, ist eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von Quantencomputern. Sie erzeugten ein „Nanoschachbrett", dessen Felder abwechselnd verschiedene magnetische Eigenschaften hatten, z. B. „magnetisch" und „unmagnetisch". Konkret haben die Forscher mit flachen, etwa 1 Nanometer grossen, organischen Molekülen gearbeitet, in deren Mitte sich jeweils ein einzelnes magnetisches Metallatom befand - Eisen oder Mangan. Dieses machte das Molekül zu einem winzigen Magneten, der wesentlich kleiner ist als ein magnetisches Bit in einer Computerfestplatte, das aus mehr als einer Million magnetischer Atome besteht. Damit der magnetische Zustand in den Molekülen stabil blieb, wurden sie auf eine magnetische Kobaltoberfläche aufgedampft. Die Kobaltoberfläche zwang den Molekülen eine bestimmte Magnetisierungsrichtung auf.

Da die Moleküle jeweils nur ein magnetisches Atom besitzen, sind sie so klein, dass sie den Gesetzen der Quantenphysik unterworfen sind. Das Verständnis solcher Quantenobjekte und deren Manipulation sind Voraussetzungen für die Entwicklung von Quantencomputern, die manche Berechnungen wesentlich schneller durchführen könnten als heutige Geräte.

Das magnetische Nanoschachbrett baut sich von selbst

Bisher seien die magnetischen Atome höchst aufwändig Atom für Atom angeordnet worden.

Am PSI wurden die magnetischen Atome in Moleküle eingebaut und diese Moleküle so konstruiert, dass sie sich auf der Oberfläche von selbst abwechselnd so anordnen, dass ein Schachbrettmuster entsteht. Das magnetische Nanoschachbrett könne sich so von selbst zusammenbauen, erläutert Christian Wäckerlin, Doktorand am PSI.

Magnetismus gezielt geschaltet

Als die Moleküle dann Ammoniakgas ausgesetzt wurden, verband sich mit jedem der Metallatome ein Ammoniak-Molekül. Dadurch wurde das mit Ammoniak verbundene Eisenatom unmagnetisch. Der Magnetismus des Mangans veränderte sich nur unwesentlich. Somit wurde bei jedem zweiten der Moleküle im Nanoschachbrett der Quantenzustand von „magnetisch" in „unmagnetisch" umgewandelt. Mit einem Rastertunnelmikroskop lässt sich das Nanoschachbrett abbilden und die magnetischen Eigenschaften lassen sich mit dem Licht der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des PSI studieren. Erwärme man das ganze System etwas, lösen sich die Ammoniakmoleküle wieder und der ursprüngliche Zustand sei wieder hergestellt, beschreibt Wäckerlin die Abläufe. Damit ist es natürlich noch ein sehr weiter Weg zu einem tatsächlichen Quantencomputer, insbesondere fehlt die ebenfalls wichtige Kopplung und Verschränkung der Quantenzustände. Es sei aber vorgeführt worden, wie man in einem einfachen, hochgradig geordneten System die Eigenschaften von sehr vielen Atomen reproduzierbar schalten könne.

Auch andere Anwendungen denkbar

Greifbarer sind andere Anwendungen. Man könnte das magnetische Schachbrett zum Beispiel für einen Ammoniak-Sensor verwenden. Dadurch dass nach dem Bedampfen mit Ammoniak nicht mehr jedes, sondern nur jedes zweite Molekül magnetisch ist, ändert sich auch die Art wie die Anordnung auf Licht reagiert. Diese Änderung liesse sich mit einer recht einfachen Lichtquelle nachweisen. Und damit würde man auch sehen, dass Ammoniak in der Luft vorhanden ist.

Originalveröffentlichung:
Wäckerlin C. et al.: Two-dimensional Supramolecular Electron Spin Arrays, Advanced Materials 2013, DOI: 10.1002/adma.201204274

www.psi.ch

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