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Rechnen mit Molekülen: Großer Schritt in Richtung einer neuen Computerarchitektur

Internationales Forschungsteam unter Kieler Leitung baut stabile schaltbare Moleküle für die Spintronik
 

Schnellere Datenverarbeitung, weniger Stromverbrauch und höhere Integrationsdichten – die sogenannte 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 ihre magnetischen Eigenschaften – der „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 weiter zu verkleinern, durch die Kontrolle des Spins in einzelnen Molekülen. Die Informationsverarbeitung erfolgt darüber, dass Moleküle zwischen zwei verschiedenen Spinzuständen hin- und hergeschaltet werden können. 

Einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung von Chemikern und Physikern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) 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. Ihre Ergebnisse sind heute in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins Nature Nanotechnology erschienen. 
 
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 Dr. Manuel Gruber aus der Experimentalphysik und Prof. Dr. Rainer Herges  aus der Organischen Chemie  der CAU. Außerdem waren Partner am französischen Elektronen-Synchrotron SOLEIL und des Swiss Light Source-Synchroton am Paul Scherrer Institut in der Schweiz beteiligt.  

Die molekularen Spinschalter, die das interdisziplinäre Forschungsteam entwickelt hat, zeigen nun 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 sogenannten Flip-Flops ist das Ausgangssignal zurück gekoppelt zum Eingang um zwei verschiedene Schaltzustände, 0 und 1, zu realisieren“, erklärt Physiker Gruber. 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 brachte das Forschungsteam durch Verdampfen die Moleküle auf einer Metalloberfläche auf, wo sie sich selbstständig in einer regelmäßigen, geordneten Schicht anordneten. In dieser Anordnung lässt sich jedem Molekül mit der atomar feinen Metallspitze eines ultrahoch auflösenden Rastertunnelmikroskops ein extrem kleiner 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. 

Originalpublikation:

Alexander Köbke, Florian Gutzeit, Fynn Röhricht, Alexander Schlimm, Jan Grunwald, Felix Tuczek, Michal Studniarek, Danilo Longo, Fadi Choueikani, Edwige Otero, Philippe Ohresser, Sebastian Rohlf, Sven Johannsen, Florian Diekmann, Kai Rossnagel, Alexander Weismann, Torben Jasper-Toennies, Christian Näther, Rainer Herges, Richard Berndt, Manuel Gruber, Reversible coordination-induced spin-state switching in complexes on metal surfaces,  Nature Nanotechnology (2019), DOI: 10.1038/s41565-019-0594-8 
 www.nature.com/articles/s41565-019-0594-8

Die Arbeit entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 677 „Funktion durch Schalten“, der 2007-2019 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der CAU gefördert wurde. 

 

Über den Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen. Mehr Informationen auf www.kinsis.uni-kiel.de

Kontakt

Prof. Dr. Rainer Herges
Institut für Organische Chemie
+49 (0)431 880 2440
rherges@oc.uni-kiel.de
www.otto-diels-institut.de/en/otto-diels-institute-of-organic-chemistry

Dr. rer. nat. Manuel Gruber
Oberflächenphysik
+49 (0)431 880 5091
gruber@physik.uni-kiel.de
www.ieap.uni-kiel.de/surface

Julia Siekmann
Referentin für Wissenschaftskommunikation, Forschungsschwerpunkt Kiel Nano Surface and Interface Sciences (KiNSIS)