Grundlagenforschung

Forscher steuern Magnetismus eines Moleküls über die Spannung

| Redakteur: Nico Litzel

Zwischen zwei Metallelektroden wird das rund zwei Nanometer große Molekül über viele Tage hinweg stabil gehalten.
Zwischen zwei Metallelektroden wird das rund zwei Nanometer große Molekül über viele Tage hinweg stabil gehalten. (Bild: Christian Grupe/KIT)

Magnetismus wirkt nicht nur zwischen zwei magnetisierten Objekten, sondern auch innerhalb eines einzigen Moleküls. Von dieser Entdeckung erhoffen sich Physiker, den Magnetismus als elementares Phänomen der Physik noch besser zu verstehen.

Magnetismus ist das Rückgrat der modernen Datenspeicherung. Zwar sind Flash-Speicher langsam aber stetig auf dem Vormarsch und in den Laboren arbeiten Ingenieure bereits an Nachfolgetechniken wie beispielsweise den sogenannten Phasenwechselspeichern. Das kann aber nicht darüber hinwegtäuschen, dass die meisten Daten nach wie vor auf magnetischen Festplatten und Bändern gespeichert sind. Die Technik – inzwischen fast 60 Jahre alt – hat sich bewährt.

Umso überraschender sind nun die Ergebnisse eines ungewöhnliches Experiments, das Physikern vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg gelungen ist.

Grundlagen

Die kleinste Einheit eines Magneten ist das magnetische Moment eines einzelnen Atoms oder Ions. Koppelt man zwei magnetische Momente, so ergeben sich zwei Möglichkeiten: Entweder die Momente addieren sich und ergeben zusammen ein stärkeres Moment – oder sie kompensieren einander und der Magnetismus verschwindet. Quantenphysiker sprechen hier von einem Triplett oder Singulett.

Ein Forscherteam rund um Professor Mario Ruben vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Professor Heiko B. Weber von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wollte testen, ob man den Magnetismus eines Paares magnetischer Momente auch in einem einzelnen Molekül 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 dann in einem so genannten Einzelmolekülkontakt untersucht. Dabei bringen die Forscher zwei Metallelektroden so nahe zusammen, dass das Molekül – das etwa zwei Nanometer misst – 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.

Überraschende Entdeckung – elementare Physik in einem einzigen Molekül

Es zeigte sich, dass der Magnetismus so gemessen werden kann: Der magnetische Zustand innerhalb des Moleküls wurde als sogenannte Kondo-Anomalie sichtbar. So bezeichnen Physiker den Effekt, der den elektrischen Widerstand zu tiefen Temperaturen hin schrumpfen lässt. Eine Kondo-Anomalie tritt nach Angaben der Forscher nur dann auf, wenn tatsächlich Magnetismus wirkt. Somit dient das Phänomen 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.

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