Physikern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist ein außergewöhnliches Experiment gelungen: Sie konnten nachweisen, wie Magnetismus - der sich gemeinhin als Kraftwirkung zwischen zwei magnetisierten Objekten äußert - auch innerhalb eines einzigen Moleküls wirkt.
Diese für die Grundlagenforschung sehr bedeutsame Entdeckung liefert den Wissenschaftlern ein neues Werkzeug,
Magnetismus als elementares Phänomen der Physik besser zu verstehen.
Ihre Ergebnisse haben die Forscher am 15. Juli in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht [vgl. Artikelhinweis unten].
Die kleinste Einheit eines Magneten ist das magnetische Moment eines einzelnen Atoms oder Ions. Koppelt man zwei solcher magnetischer Momente zusammen, ergeben sich zwei Möglichkeiten: Entweder die magnetischen Momente addieren sich zu einem stärkeren Moment - oder sie kompensieren einander und der Magnetismus verschwindet. Quantenphysikalisch korrekt spricht man von einem Triplett oder einem Singulett.
Ein Forscherteam um Prof. Mario Ruben (KIT) und Prof. Heiko B. Weber (FAU) wollten testen, ob man den Magnetismus eines Paars magnetischer Momente in einem einzelnen Molekül elektrisch messen kann. Dafür hatte die Arbeitsgruppe von Mario Ruben ein Molekül aus zwei Kobalt-Ionen für das Experiment maßgeschneidert. Heiko B. Weber und sein Team haben das Molekül in Erlangen in einem so genannten Einzelmolekülkontakt untersucht. Dabei bringt man zwei Metallelektroden so nahe zusammen, dass das Molekül - dessen Länge etwa zwei Nanometer beträgt - über viele Tage hinweg dazwischen stabil gehalten wird, während gleichzeitig der Strom durch den Kontakt gemessen werden kann. Diesen Experimentaufbau haben die Wissenschaftler dann unterschiedlichen - bis hin zu sehr tiefen -Temperaturen ausgesetzt.
Es zeigte sich, dass der Magnetismus so gemessen werden kann: Der magnetische Zustand innerhalb des Moleküls wurde als Kondo-Anomalie sichtbar - so nennt sich ein Effekt, der den elektrischen Widerstand zu tiefen Temperaturen hin schrumpfen lässt. Er tritt nur dann auf, wenn tatsächlich Magnetismus wirkt - und dient somit als Nachweis. Zugleich gelang es den Forschern, diesen Kondo-Effekt mit der angelegten Spannung an- und auszuschalten. Eine genaue theoretische Analyse in der Arbeitsgruppe von PD Karin Fink (KIT) präzisiert die verschiedenen komplexen Quantenzustände des Kobalt-Ionenpaars. Es ist somit gelungen, elementare Physik in einem einzelnen Molekül nachzustellen.
Pressemitteilung des Karlsruher Instituts für Technologie
Nature: Elementare Physik in einem einzigen Molekül
Die kleinste Einheit eines Magneten ist das magnetische Moment eines einzelnen Atoms oder Ions. Koppelt man zwei solcher magnetischer Momente zusammen, ergeben sich zwei Möglichkeiten: Entweder die magnetischen Momente addieren sich zu einem stärkeren Moment - oder sie kompensieren einander und der Magnetismus verschwindet. Quantenphysikalisch korrekt spricht man von einem Triplett oder einem Singulett. Ein Forscherteam um Prof. Mario Ruben vom Karlsruher Institut für Technologie und Prof. Heiko B. Weber von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wollten testen, ob man den Magnetismus eines Paars magnetischer Momente in einem einzelnen Molekül elektrisch messen kann.
Dafür hatte die Arbeitsgruppe von Mario Ruben ein Molekül aus zwei Kobalt-Ionen für das Experiment maßgeschneidert. Heiko B. Weber und sein Team haben das Molekül in Erlangen in einem so genannten Einzelmolekülkontakt untersucht. Dabei bringt man zwei Metallelektroden so nahe zusammen, dass das Molekül - dessen Länge etwa zwei Nanometer beträgt - über viele Tage hinweg dazwischen stabil gehalten wird, während gleichzeitig der Strom durch den Kontakt gemessen werden kann. Diesen Experimentaufbau haben die Wissenschaftler dann unterschiedlichen - bis hin zu sehr tiefen -Temperaturen ausgesetzt.
Es zeigte sich, dass der Magnetismus so gemessen werden kann: Der magnetische Zustand innerhalb des Moleküls wurde als Kondo-Anomalie sichtbar - so nennt sich ein Effekt, der den elektrischen Widerstand zu tiefen Temperaturen hin schrumpfen lässt. Er tritt nur dann auf, wenn tatsächlich Magnetismus wirkt - und dient somit als Nachweis. Zugleich gelang es den Forschern, diesen Kondo-Effekt mit der angelegten Spannung an- und auszuschalten. Eine genaue theoretische Analyse in der Arbeitsgruppe von Privatdozentin Karin Fink vom Karlsruher Institut für Technologie präzisiert die verschiedenen komplexen Quantenzustände des Kobalt-Ionenpaars. Es ist somit gelungen, elementare Physik in einem einzelnen Molekül nachzustellen.
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts nach den Gesetzen des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Thematische Schwerpunkte der Forschung sind Energie, natürliche und gebaute Umwelt sowie Gesellschaft und Technik, von fundamentalen Fragen bis zur Anwendung. Mit rund 9000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, darunter knapp 6000 in Wissenschaft und Lehre, sowie 24 000 Studierenden ist das KIT eine der größten Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas. Das KIT verfolgt seine Aufgaben im Wissensdreieck Forschung - Lehre - Innovation.
Zusatzinformationen:
Stefan Wagner, Ferdinand Kisslinger, Stefan Ballmann, Frank Schramm, Rajadurai Chandrasekar, Tilmann Bodenstein, Olaf Fuhr, Daniel Secker, Karin Fink, Mario Ruben und Heiko B. Weber:
Switching of a coupled spin pair in a single-molecule junction.
In: Nature Nanotechnology; online veröffentlicht am 14. Juli 2013, DOI 10.1038/nnano.2013.133
Quelle: Karlsruher Institut für Technologie, KIT
Aktualisiert am 17.07.2013.
Permalink: https://www.internetchemie.info/news/2013/jul13/molekuel-magnetismus.php
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