Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt
Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen.
Phytalocyanine mit Eisen- (orange) und Mangan-Zentren (violett) ordnen sich selbst auf einer Goldoberfläche zu einem Schachbrettmuster an. Der Magnetismus des Eisens und des Mangans ist verschieden stark und zeigt in entgegengensetzte Richtungen (rote und blaue Pfeile). Damit sind die Voraussetzungen für einen hauchdünnen Ferrimagneten erfüllt.
University of Basel, Department of Physics
Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi flache Ferrimagneten wären gut geeignet, um als Sensoren, Datenspeicher oder in einem Quantencomputer zum Einsatz zu kommen, da bei der zweidimensionalen Anordnung der Magnetzustand der einzelnen Atome oder Moleküle ausgelesen werden kann. Allerdings war es aus mathematischen und geometrischen Gründen bisher nicht möglich, zweidimensionale Ferrimagneten herzustellen.
Wahl der Materialien macht das Unmögliche möglich
Die Wissenschaftler um Professor Dr. Thomas Jung, der sowohl am Paul Scherrer Institute (PSI) wie auch am Departement Physik der Universität Basel eine Forschungsgruppe leitet, haben nun eine Möglichkeit zur Herstellung eines zweidimensionalen Ferrimagneten gefunden.
Zunächst stellten die Forscher sogenannte Phytalocyanine her. Dabei handelt es sich um Kohlenwasserstoffverbindungen, die verschiedene magnetische Zentren aus Eisen und Mangan besitzen. Werden diese Phytalocyanine auf eine Goldoberfläche aufgebracht, ordnen sie sich selbst zu einem Schachbrettmuster an, bei dem sich Moleküle mit Eisen- und Manganzentrum abwechseln. In Experimenten konnten die Forscher belegen, dass die Fläche magnetisch ist, dass der Magnetismus des Eisens und des Mangans verschieden stark ist sowie in entgegengesetzte Richtungen zeigt – alles Eigenschaften, die einen Ferrimagneten kennzeichnen.
«Ausschlaggebend für diese Eigenschaften ist das elektrisch leitende Goldsubstrat, das die magnetische Ordnung vermittelt», erklärt Erstautor Dr. Jan Girovsky vom PSI. «Ohne das Goldsubstrat würden die magnetischen Atome nichts voneinander spüren und das Material wäre auch nicht magnetisch.»
Die entscheidende Wirkung der Leitungselektronen im Goldsubstrat zeigt sich in einem physikalischen Effekt, der mittels Rastertunnelmikroskopie unter jedem magnetischen Atom nachgewiesen werden konnte. Die Experimente wurden bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt und liefern so Hinweise auf die Stärke der magnetischen Kopplung in dem neuartigen magnetischen Material. Modellrechnungen bestätigten den experimentell beobachteten Effekt und lieferten den Hinweis, dass spezielle, an die Oberfläche gebundene Elektronen im Goldsubstrat für diese Art des Magnetismus verantwortlich sind.
Nanoarchitektur führt zu neuen magnetischen Materialien
«Die Arbeit zeigt, dass sich mit einer geschickten Kombination von Materialien und einer speziellen Nanoarchitektur neue Materialien herstellen lassen, die eigentlich gar nicht möglich wären», erläutert Professor Dr. Nirmalya Ballav vom Indian Institute of Science Education and Research in Pune (Indien), der bereits seit einigen Jahren mit Thomas Jung die Eigenschaften von molekularen Nanoschachbrett-Architekturen studiert. Die magnetischen Moleküle besitzen ein grosses Potenzial für verschiedene zukünftige Anwendungen, da ihr Magnetismus einzeln untersucht und mithilfe der Rastersondenmikroskopie auch gezielt verändert werden kann.
Originalveröffentlichung
Jan Girovsky, Jan Nowakowski, Md. Ehesan Ali, Milos Baljozovic, Harald R. Rossmann, Thomas Nijs, Elise A. Aeby, Sylwia Nowakowska, Dorota Siewert, Gitika Srivastava, Christian Wackerlin, Jan Dreiser, Silvio Decurtins, Shi-Xia Liu, Peter M. Oppeneer, Thomas A. Jung and Nirmalya Ballav; "Long-range ferrimagnetic order in a two-dimensional supramolecular Kondo lattice"; Nature Communications; 2017
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