Rechnen mit Molekülen

Schnellere Datenverarbeitung, weniger Strom­verbrauch und höhere Integrations­dichten – die Spintronik hätte im Vergleich zur herkömm­lichen Mikro­elektronik zahlreiche Vorteile. Hierbei wird nicht nur die elektrische Ladung der Elektronen genutzt, um Informationen zu transportieren, zu speichern und zu verarbeiten, sondern auch ihr Spin. Das ermöglicht darüber hinaus nichtflüchtige Daten­speicher: Daten bleiben auch dann erhalten, wenn ein Rechner nicht mit Strom versorgt wird. Das Forschungs­feld der molekularen Spintronik versucht Datenspeicher, durch die Kontrolle des Spins in einzelnen Molekülen weiter zu verkleinern. Die Informations­ver­arbeitung erfolgt darüber, dass Moleküle zwischen zwei verschiedenen Spin­zuständen hin- und her geschaltet werden können. Einem inter­nationalen Forschungs­team ist es jetzt gelungen, einzelne Moleküle mit stabil schaltbaren Spin-Zuständen zu bauen und auf einer Oberfläche anzubringen. Konventionelle organische Moleküle verlieren auf Oberflächen normaler­weise ihre Funktionalität.

Moleküle sind die kleinsten, stabilen Einheiten, die man mit atomarer Präzision und genau definierten Eigen­schaften herstellen kann. Außerdem lassen sich Billionen von exakt gleichen molekularen Bauteilen synthe­ti­sieren. Ihre Reaktion auf elektrische oder optische Anregung und die maß­geschnei­derte chemische und physikalische Funktio­nalität machen sie zu einzig­artigen Kandidaten für die Spintronik, um neue Klassen von elektro­nischen Bauteilen zu realisieren. „Mit unserem neuen Spin­schalter haben wir in einem Molekül erreicht, wozu man in der herkömm­lichen Elektronik mehrere Komponenten wie Transistoren und Widerstände braucht. Das ist ein großer Schritt hin zu einer weiteren Miniaturi­sierung“, erklären Manuel Gruber und Rainer Herges von der Uni Kiel.

Die molekularen Spinschalter zeigen auch als Einzel­moleküle Spinzustände, die für mehrere Tage stabil sind. „Wir haben dafür einen Trick genutzt, der den grund­legenden und kleinsten Schalt­einheiten im Computer gleicht. In diesen Flip-Flops ist das Ausgang­signal zurück gekoppelt zum Eingang um zwei verschiedene Schalt­zustände – 0 und 1 – zu realisieren“, erklärt Manuel Gruber von der Uni Kiel. Die neu entwickelten Moleküle besitzen drei Eigen­schaften, die jeweils in solchen Schaltungen mitein­ander gekoppelt sind und zwischen zwei Zuständen wechseln können: ihre Geometrie (flach oder gebogen), die Koordi­nation mit weiteren Atomen (koordiniert oder nicht-koordiniert) und ihr Spin­zustand (hoch oder niedrig). Nur zwei Kombinationen der drei Eigen­schaften sind stabil und verstärken sich gegenseitig.

Mit einem Stromstoß lässt sich zwischen den beiden Zuständen der Moleküle hin- und herschalten. Dazu wurden die Moleküle durch Verdampfen auf einer Metall­ober­fläche angebracht, wo sie sich selbstständig in einer regelmäßigen, geordneten Schicht neben­ein­ander anordneten. In dieser Anordnung lässt sich mit der atomar feinen Metallspitze eines ultrahoch auflösenden Raster­tunnel­mikroskops jedem einzelnen Molekül ein extrem kleinen Stromstoß versetzen. Indem entweder eine positive oder eine negative Spannung angelegt wird, lässt sich zwischen beiden Zuständen schalten. In einem nächsten Schritt wollen die Wissen­schaftler diese molekularen Spin­schalter miteinander zu komplizierteren, elektro­nischen Schaltungen verknüpfen, um einfache Computer­operationen durch­führen zu können.

CAU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  A. Köbke et al.: Reversible coordination-induced spin-state switching in complexes on metal surfaces, Nat. Nanotech., online 23. Dezember 2019; DOI: 10.1038/s41565-019-0594-8
• AG Herges, Otto-Diels-Institut für organische Chemie, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel