Überblick

Magnetismus im Molekülmaßstab

Der Quantenmagnetismus mesoskopischer Systeme eröffnet neue Fragen und Anwendungen.

  • Jürgen Schnack
  • 04 / 2017 Seite: 37

Ob kleinste Datenspeicher, Qubits, Kühlmittel oder medizinische Kontrastmittel – magnetische Moleküle versprechen vielfältige Anwendungen. Dies und die zugrundeliegenden quantenmechanischen Mechanismen machen den molekularen Magnetismus zu einem hochaktuellen Forschungsgebiet über die Fächergrenzen hinweg. So ist hier eine Zusammen­arbeit zwischen Chemie und Physik unverzichtbar, denn je besser man die magneto-strukturellen Zusammenhänge versteht, desto zielgerichteter lassen sich neue Moleküle synthetisieren. Aber auch aus rein physikalischer Sicht bietet die Forschung an magnetischen Molekülen spannende Fragestellungen.

Die Entdeckung einer magnetischen Hysterese, die rein molekularen Ursprungs ist, gilt als Geburtsstunde des molekularen Magnetismus [1]. Dies gelang erstmals am Molekül mit der chemischen Formel Mn12O12CH3COO16H2O4 • 2CH3COOH • 4H2O. Der Übersichtlichkeit halber wird diese etwas sperrige Formel oft auf die magnetischen Bestandteile reduziert, in diesem Fall also Mn12. Mit der Hoffnung auf molekulare magnetische Speicherbits ist eine Euphorie verbunden, die dieses neue Forschungsgebiet antreibt. Im Gegensatz zur Physik ausgedehnter Festkörper, die Phasen und ihre Übergänge beschreibt, befasst sich der molekulare Magnetismus mit endlichen Systemen, deren Eigenschaften sich typischerweise aus dem Zusammen­spiel von bis zu etwa 100 Konstituenten ergeben. Auch wenn die magnetischen Eigenschaften unterschiedlicher chemischer Verbindungen stark von den jeweiligen Details abhängen, gibt es trotzdem einige grundlegende Gemeinsamkeiten. Damit lassen sich Klassen von Molekülen charakterisieren und Anknüpfungspunkte zur Physik der ausgedehnten magnetischen Systeme herstellen.p>

Beim molekularen Magnetismus sind die Eigenschaften einzelner magnetischer Moleküle interessant. Doch anders als der Begriff suggeriert, werden die Mole­küle als makroskopische Proben in Form von Kris­tallen, Kristalliten oder Lösungen untersucht. Oft sind die magnetischen Bestandteile der Moleküle durch das umgebende ausgedehnte chemische Gerüst (Liganden) weit genug voneinander entfernt, sodass die magnetischen Momente verschiedener Moleküle praktisch nicht miteinander wechselwirken. Dann geben die Messungen im thermodynamischen Gleich­gewicht tatsächlich die Ensembleeigenschaften einzelner Moleküle wieder. Um auch die kleinsten Wechselwirkungen zwischen Molekülen auszuschließen, ist es weiterhin möglich, makroskopische Proben durch Mischung mit diamagnetischen Analoga zu verdünnen. Die Untersuchung von einzelnen, nicht wechselwirkenden Molekülen wurde inzwischen erfolgreich in Versuchen demonstriert, bei denen die Moleküle auf Substraten deponiert sind...

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