Topologisches Ladungs-Spin-Getriebe an einem synthetisierten magnetischen Molekül

Da die Elektronen nicht nur über eine Ladung, sondern auch über ein intrinsisches magnetisches Moment -den Spin- verfügen, ist es möglich, auch dieses Moment als Informationsträger für logische Operationen zu benutzen (Bits).

Die Spins in Molekülen können schneller manipuliert werden als die Elementarladungen der Elektronen in Halbleitern und das sogar zu geringeren Energiekosten. Das kann man sehr effektiv mit ultrakurzen Laserpulsen bewerkstelligen, wie man aus den Experimenten von Jean-Yves Bigot schon seit fast einem Vierteljahrhundert weiß. Zusätzlich ist es möglich, sie dichter aneinander zu packen als Dotierungsladungen. Man spricht von Spintronik, in Analogie zur Elektronik. Benutzt man magnetische Moleküle oder andere Nanosysteme, spricht man von Nanospintronik.

Aus theoretischer Sicht gibt es natürlich eine wichtige Voraussetzung, nämlich dass solche komplexen Systeme (d.h. magnetische Systeme mit hochkorrelierten Elektronen, sprich voneinander abhängige Elektronen die man nicht einzeln betrachten kann) überhaupt mit Hilfe quantenmechanischer Methoden simuliert werden können. Damit das Ganze funktioniert, müssen die Moleküle in der Lage sein, unterschiedliche Dynamiken für die Ladungen und die Spins aufzuweisen (Spin-Ladungs-Trennung).

Theoretischen Wissenschaftlern der Technischen Universität Kaiserslautern unter der Leitung von Prof. Dr. Wolfgang Hübner und in Kooperation mit der School of Physics and Information Technology der Shaanxi Normal University in Xi’an, China, ist es nun gelungen, ein solches existierendes Molekül (welches schon vorher von Chemikern der TUK synthetisiert und charakterisiert worden war) zu einem Ladungs-Spin-Getriebe umzuwandeln. „Die drei Kobalt-Atome des erfolgreichen Moleküls Co₃Ni(EtOH), fungieren dabei als magnetische Zentren, zwischen denen die elektronischen Ladungen und die Spins durch Laserpulse hin- und hergeschoben werden, und zwar in einem genauestens choreographierten Tanz. Drei nacheinander getaktete Laserpulse lassen die Ladung jeweils um eine Position in die eine Richtung ‚hüpfen‘, was aber zu einer Gegenbewegung der Spins führt. Am Ende dieses walzerähnlichen Dreier-Takt-Zyklus kommen die Ladungen wieder an ihren ursprünglichen Plätzen an; die Spins dagegen sind um eine Position verrückt, ganz ähnlich einem mechanischen Getriebe. Im vorliegenden Fall kommen die Spins erst nach einem zweiten Ladungszyklus zurück. Somit hat das Ladungs-Spin-Getriebe ein Übersetzungsverhältnis von 2:(-1).“, so PD Dr. Georg Lefkidis, erster Autor der Studie.

Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift Journal of Physical Chemistry Letters veröffentlicht:

„Topological Spin−Charge Gearbox on a Real Molecular Magnet“

G. Lefkidis, W. Jin, J. Liu, D. Dutta, and W. Hübner

J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 7, 2592–2597, DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c00296