26/08/2013

idw-online

Elementare Physik in einem einzigen Molekül

Einem Physiker-Team ist ein außergewöhnliches Experiment gelungen: Siekonnten nachweisen, wie Magnetismus – der sich gemeinhin als Kraftwirkungzwischen zwei magnetisierten Objekten äußert – auch innerhalb eineseinzigen Moleküls wirkt. Diese für die Grundlagenforschung sehr bedeutsameEntdeckung liefert den Wissenschaftlern ein neues Werkzeug, Magnetismusals elementares Phänomen der Physik besser zu verstehen. Ihre Ergebnissehaben die Forscher nun in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnologyveröffentlicht. (doi: 10.1038/nnano.2013.133)

Die kleinste Einheit eines Magneten ist das magnetische Moment eineseinzelnen Atoms oder Ions. Koppelt man zwei solcher magnetischer Momentezusammen, ergeben sich zwei Möglichkeiten: Entweder die magnetischenMomente addieren sich zu einem stärkeren Moment – oder sie kompensiereneinander und der Magnetismus verschwindet. Quantenphysikalisch korrektspricht man von einem Triplett oder einem Singulett. Ein Forscherteam umProf.
Mario Ruben vom Karlsruher Institut für Technologie und Prof. Heiko B. Weber von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wolltentesten, ob man den Magnetismus eines Paars magnetischer Momente in einemeinzelnen 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 Teamhaben das Molekül in Erlangen in einem so genannten Einzelmolekülkontaktuntersucht. Dabei bringt man zwei Metallelektroden so nahe zusammen, dassdas Molekül – dessen Länge etwa zwei Nanometer beträgt – über viele Tagehinweg dazwischen stabil gehalten wird, während gleichzeitig der Stromdurch den Kontakt gemessen werden kann.
Diesen Experimentaufbau haben dieWissenschaftler dann unterschiedlichen – bis hin zu sehr tiefen–Temperaturen ausgesetzt.Es zeigte sich, dass der Magnetismus so gemessen werden kann: Dermagnetische Zustand innerhalb des Moleküls wurde als Kondo-Anomaliesichtbar – so nennt sich ein Effekt, der den elektrischen Widerstand zutiefen Temperaturen hin schrumpfen lässt. Er tritt nur dann auf, wenntatsächlich Magnetismus wirkt – und dient somit als Nachweis. Zugleichgelang es den Forschern, diesen Kondo-Effekt mit der angelegten Spannungan- und auszuschalten.
Eine genaue theoretische Analyse in derArbeitsgruppe von Privatdozentin Karin Fink vom Karlsruher Institut fürTechnologie präzisiert die verschiedenen komplexen Quantenzustände desKobalt-Ionenpaars. Es ist somit gelungen, elementare Physik in einemeinzelnen Molekül nachzustellen.Switching of a coupled spin pair in a single-molecule junction, StefanWagner et. al., Nature Nanotechnology (2013),doi:10.1038/nnano.2013.133

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