Schaltbare Nanomagneten

Einer Kieler Doktorandin gelingt die Herstellung eines Moleküls, das sich mit Hilfe des Lichts steuern lässt. Dies könnte ein großer Fortschritt in der Informations­technologie sein.

Wenn Professor Rainer Herges gebeten wird, Nanotechno­logie zu erklären, dann geht das nicht allein durch Worte. Nicht, dass ihm als Professor für Organische Chemie diese ausgehen würden, aber der Griff in den Modellbaukasten mit Molekülen erleichtert die Sache doch sehr. Stolz zeigt der Chemiker das Gerüst eines Moleküls, um das sich in seinem Institut derzeit alles dreht.

Professor Rainer Herges und seine Forscherkollegen haben sich auf den Bereich des molekularen Magnetismus fokussiert: »Computerfestplatten zum Beispiel funktionieren mit magnetischen Materialien. Der Schreibkopf legt in winzigen Ausschnitten der Festplatte ein Magnetfeld an, richtet alle sich dort befindlichen Elementarmagnete aus, das heißt, sie zeigen nun alle in die gleiche Richtung, wie kleine Kompassnadeln, wenn man einen Magneten in die Nähe bringt«, erklärt Professor Herges. Wichtig ist nun, dass das Material auf der Oberfläche der Festplatte so beschaffen ist, dass diese Ausrichtung (Magnetisierung) erhalten bleibt, auch wenn der Schreibkopf weiterfährt und an einer anderen Stelle arbeitet. Information wird dadurch gespeichert, dass in einem definierten kleinen Bereich alle Elementarmagnetchen mit dem Nordpol nach oben oder alle nach unten ausgerichtet werden. So ergibt sich die in der Computersprache gebräuchliche Kodierung "0" und "1". Die kleinsten auf diese Weise kodierbaren Bereiche einer Festplatte – die so genannten Bitcells – liegen heute bereits in einer Größenordnung von 25 Nanometern. Zum Vergleich: Ein dünnes Haar ist mit einem Durchmesser von 0,03 Millimeter etwa tausendmal so dick. Damit ist man schon recht nahe an der physikalischen Grenze für eine weitere Verkleinerung der Bitcells, jedenfalls für den Betrieb bei Raumtemperatur. Will man dieses so genannte "superparamagnetische Limit" unterschreiten, muss man andere magnetische Effekte ausnutzen.

Ein großer Schritt dahin gelang Claudia Bornholdt. Sie hat kürzlich im Rahmen ihrer Promotionsarbeit Promotionsarbeit das erste bei Raumtemperatur magnetisch schaltbare Einzelmolekül hergestellt, das gerade mal 1,2 Nanometer groß ist. Für das Größenverständnis: Ein Molekül verglichen mit einem Handball verhält sich so wie ein Handball zur Erde! Professor Herges veranschaulicht das Molekül anhand des Modells. Die auf einer tellerförmigen Ebene miteinander verknüpften Atome haben einen schwenkbaren Arm, den der Chemiker mit dem Nadelarm eines Plattenspielers vergleicht: »Wird die Nadel angehoben, ist das Molekül unmagnetisch. Senkt sie sich auf den "Teller", wird es magnetisch«. Daraus ergeben sich zwei neue Zustände: Nicht mehr Nordpol nach oben oder nach unten, sondern magnetisch und nichtmagnetisch. Hier liegt der Unterschied zum herkömmlichen Beschreiben der Festplatten: Es wird nicht mehr die Richtung der Magnetisierung verändert, sondern der Magnetismus lediglich ein- oder ausgeschaltet. Zum Einschalten wird ein Molekül mit blauem Licht beschossen, zum Ausschalten dagegen mit UV-Licht. Der Vorteil: »Das Ein- und Ausschalten funktioniert auch bei Raumtemperatur. Bislang war dieser Vorgang beim Einzelmolekül nur bei 4-5 Kelvin (-268 Grad Celsius), also nahe des absoluten Nullpunkts hier möglich«, so Professor Herges.

Die neue Schalttechnik spart viel Platz auf Festplatten und könnte in Zukunft eine noch viel größere Informationsdichte auf kleinstem Raum möglich machen – auch wenn das noch Zukunftsmusik ist: Denn Schreibköpfe, die ein einzelnes Molekül lesen und schalten können, müssen erst gebaut werden.

Für ihre bahnbrechende Promotionsarbeit mit dem Titel: "Ligandgetriebener Spin-Crossover mit Licht und bei Raumtemperatur" erhielt Claudia Bornholdt den Otto-Diels-Preis für die beste Promotionsarbeit in der Organischen Chemie 2009. Durchgeführt wurde die Arbeit im Rahmen eines Teilprojektes im Sonderforschungsbereich 677 "Funktion durch Schalten".

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