Molekulare Magnete beim Tunneln beobachtet

  • 28. October 2010

Selbstorientierte magnetische Moleküle auf einer Goldoberfläche ändern ihre Magnetisierung sprunghaft.

In der Spintronik werden die elektrische Ladung und der Spin der Elektronen gleichberechtigte Rollen spielen. So können Spinströme elektrische Ströme schalten, die wiederum die Magnetisierung von Nanomagneten oder Molekülen beeinflussen. Dabei rücken magnetische Datenspeicher aus einzelnen magnetischen Molekülen in den Blick, deren elektronische und magnetische Eigenschaften intensiv erforscht werden. Im Gegensatz zu Mikro- und Nanomagneten kann bei magnetischen Molekülen die Magnetisierung zwischen verschiedenen Zuständen quantenmechanisch tunneln. Jetzt haben Forscher der Universität Florenz eine Monolage magnetischer Moleküle so auf einer Oberfläche fixiert, dass die magnetischen Momente der Moleküle nahezu in dieselbe Richtung zeigten und der magnetische Tunneleffekt makroskopisch sichtbar wurde.

Die von Roberta Sessoli und ihren Kollegen benutzten Moleküle enthielten ein Cluster aus vier Eisenatomen, an das sich zwei gleichlange und in entgegengesetzte Richtungen weisende Kohlenwasserstoffketten anschlossen. Im Cluster saß ein Eisenatom in der Mitte und war von den drei anderen Atomen sternförmig in einer Ebene umgeben. Alle vier Atome waren magnetisch und hatten einen Spin von 5/2. Die antiferromagnetische Kopplung der Eisenatome sorgte dafür, dass das zentrale Atom entgegengesetzt zu den drei anderen Atomen magnetisiert war, sodass der Gesamtspin S=5 betrug. Jedes Molekül hatte insgesamt 2S+1=11 verschiedene Magnetisierungszustände.

Die magnetische Hysterese der Moleküle zeigt abrupte Änderungen der Magnetisierung, verursacht durch resonantes quantenmechanisches Tunneln. Dabei ist die Beweglichkeit der Moleküle stark eingeschränkt, sodass ihre Magnetisierungsachse weitgehend festliegt.

Abb.: Die magnetische Hysterese der Moleküle zeigt abrupte Änderungen der Magnetisierung, verursacht durch resonantes quantenmechanisches Tunneln. Dabei ist die Beweglichkeit der Moleküle stark eingeschränkt, sodass ihre Magnetisierungsachse weitgehend festliegt. (Bild: Sessoli et al., Nature)

In einem früheren Experiment hatten die Forscher um Sessoli ihren magnetischen Molekülen sehr lange Kohlenwasserstoffketten gegeben, mit deren Enden sich die Moleküle an eine Goldoberfläche chemisch binden konnten. Waren beide Kettenenden eines Moleküls gebunden, so war die Magnetisierung des Moleküls parallel zur Oberfläche orientiert aber in zufälliger Weise ausgerichtet. Ein einheitlicheres Verhalten der molekularen Magnetisierungen erreichten die Forscher jetzt, indem sie den Molekülen kürzere Kohlenwasserstoffketten gaben. Da die Moleküle sehr sperrig waren, konnte nur noch eine Kette eine Bindung mit der Goldoberfläche eingehen. Die Moleküle hatten daraufhin alle nahezu dieselbe Ausrichtung und ihre Magnetisierungachse stand senkrecht zur Oberfläche.

Um die magnetischen Eigenschaften der kurzkettigen Moleküle zu beobachten, ließen die Forscher eine Monolage der Moleküle an eine Goldoberfläche binden, kühlten sie auf 10 K ab und brachten sie in ein Magnetfeld variabler Stärke. Dann beleuchteten sie die Schicht mit zirkular polarisierter Röntgenstrahlung, deren Energie auf eine Röntgenabsorptionskante des Eisens abgestimmt war. Aufgrund der einheitlichen Ausrichtung der magnetischen Momente der Moleküle wurden der rechts- und der linkszirkular polarisierte Röntgenstrahl unterschiedlich stark absorbiert. Daraus ließ sich ablesen, dass die magnetischen Eigenschaften der Moleküle nicht durch deren chemische Bindung an die Oberfläche beeinträchtigt wurden.

Weitere Absorptionsmessungen mit linear polarisierten Röntgenstrahlen brachten zusätzliche Informationen, aus denen sich die Magnetisierungsstärke der Molekülschicht in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes ermitteln ließ. So konnten die Forscher eine Hysteresekurve aufzeichnen, die charakteristische Stufen aufwies, bei denen sich die Magnetisierung plötzlich änderte. Dahinter steckte aber nicht das Umklappen magnetischer Domänen, wie man es für Mikromagneten beobachtet. Vielmehr verhielten sich alle Moleküle der Monolage in gleicher Weise: Ihre Magnetisierung tunnelte quantenmechanisch zwischen zwei der insgesamt elf Zustände, sobald die beiden Zustände aufgrund des Zeeman-Effekts durch das Magnetfeld in Resonanz geraten waren.

War das Magnetfeld nicht parallel zur Magnetisierungsachse der Moleküle ausgerichtet, so traten die Resonanzen erst bei höheren Feldstärkewerten auf. Die Magnetisierungssprünge in der Hysteresekurve verschoben sich entsprechend. Mit umfangreichen Computersimulationen konnten die Forscher die gemessenen Hysteresekurven reproduzieren und die gegebene Interpretation ihrer Resultate bestätigen. Da die magnetischen Moleküle auf der Goldoberfläche kaum miteinander wechselwirken, könnte man sie als isolierte magnetische Datenspeicher nutzten.

RAINER SCHARF

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 KK

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