Intermolekularer Magnetismus

Elementare Physik in einem einzigen Molekül

Zwischen zwei Metallelektroden wird das rund 2 nm große Molekül über viele Tage hinweg stabil gehalten. (Bild: Christian Grupe/KIT)

Einem Physiker-Team 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 nun in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht (doi: 10.1038/nnano.2013.133).

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 sogenannten Einzelmolekülkontakt untersucht. Dabei bringt man zwei Metallelektroden so nahe zusammen, dass das Molekül - dessen Länge etwa 2 nm 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.

Switching of a coupled spin pair in a single-molecule junction, Stefan Wagner et. al., Nature Nanotechnology (2013), doi:10.1038/nnano.2013.133.

Weiterer Kontakt:
Prof. Dr. Heiko B. Weber
heiko.weber@physik.uni-erlangen.de

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