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Erfolg auf dem Weg zur Datenspeicherung der Zukunft

Diplomphysiker Eric Ludwig untersucht die schaltbaren Molekülkomplexe am ASPHERE Photoelektronenspektrometer, das von der Arbeitsgruppe um Lutz Kipp am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg gebaut wurde.
Foto/Copyright: Holger Naggert

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist nun ein neuer Durchbruch auf dem Weg zu molekularen Datenspeichern gelungen. Sie schafften es, den Magnetismus eines ultradünnen Molekülfilms mit Licht an- und auszuschalten. Die Studie aus dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ erschien kürzlich im renommierten Fachmagazin Angewandte Chemie.

Dünne Schichten magnetisch schaltbarer Verbindungen spielen eine wichtige Rolle in der Datenspeicherung und Elektronik. Dabei handelt es sich in der Regel um kristalline Festkörper, die bei hohen Temperaturen im Ultrahochvakuum auf die immer kleiner werdenden Bauteile aufgedampft werden. Magnetische Molekülverbindungen konnten für solche Zwecke bislang nicht eingesetzt werden, da sie üblicherweise unter diesen Bedingungen zerfallen.

Die Kieler Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs 677 „Funktion durch Schalten“ entdeckten, dass sich eine Molekülklasse, sogenannte Spincrossover-Komplexe, im Vakuum verdampfen und in dünnen Filmen abscheiden lässt, ohne dass sie ihre Eigenschaften verlieren. Durch äußere Einflüsse wie Druck und Temperatur lässt sich bei diesen Molekülen, die beispielsweise ein Eisenatom enthalten, der Magnetismus ein- und ausschalten. Der Vorteil der Molekülfilme gegenüber den kristallinen Festkörpern: Sie lassen sich zum Beispiel auch auf flexible Materialien aufbringen und könnten zu Bauelementen mit höheren magnetischen Speicherdichten führen.

Professor Felix Tuczek, Institut für Anorganische Chemie, Professor Lutz Kipp, Institut für Angewandte und Experimentelle Physik, und ihre Mitarbeiter konnten jetzt zeigen, dass sich der Magnetismus eines sieben Nanometer dünnen Films mit zirka sechs Moleküllagen dieser Komplexe auch durch Licht schalten lässt. Das gelang mit einem Ultraviolett-Photoelektronenspektrometer, mit dem sich diese Systeme im Ultrahochvakuum untersuchen lassen. Zuvor hatten die Forschenden bereits den Magnetismus einzelner Moleküle in einer einzelnen Schicht mit einer Injektion von Elektronen geschaltet. Die gezielte Kontrolle über Moleküle macht das Speichern von Informationen möglich.

„Unsere Fortschritte, diese Molekülklasse als winzige magnetische Speicher funktionieren zu lassen, eröffnen neue technische Anwendungsmöglichkeiten“, freut sich Tuczek über die Forschungsergebnisse. Noch klappe das Schalten nur bei tiefen Temperaturen von ungefähr minus 170 Grad. Das nächste Ziel sei daher, den schaltbaren Molekülfilm auch bei Raumtemperatur verwenden zu können.

Der Sonderforschungsbereich 677 erregte bereits in der Vergangenheit weltweites Aufsehen in der Wissenschaft durch spektakuläre Entdeckungen, so zum Beispiel durch die Synthese des sogenannten Plattenspieler-Moleküls, welches zum ersten Mal ermöglichte, den Magnetismus von Molekülen in Flüssigkeiten bei Raumtemperatur zu schalten. Neuartige Anwendungen wie schaltbare Kontrastmittel für die Computertomographie sind damit denkbar. Allen diesen Entdeckungen gemeinsam ist der Versuch der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, bislang kristallinen Festkörpern vorbehaltene magnetische Phänomene auf isolierte Moleküle und ultradünne Molekülfilme zu übertragen. In diesem Forschungszweig nimmt der Kieler Sonderforschungsbereich mittlerweile international eine Spitzenposition ein.

Originalpublikation:

E. Ludwig, H. Naggert, M. Kalläne, S. Rohlf, E. Kröger, A. Bannwarth, A. Quer, K. Rossnagel,L. Kipp und F. Tuczek (2014): Fe(II) Spincrossover-Komplexe in ultradünnen Filmen: Elektronische Struktur und Spinschaltung durch sichtbares und Vakuum-UV Licht. DOI: 10.1002/ange.201307968

Weitere Informationen zum Sonderforschungsbereich 677: www.sfb677.uni-kiel.de

Kontakt

Prof. Dr. Felix Tuczek

Institut für Anorganische Chemie

Tel.: +49 (431) 880 1410

E-Mail: sekretariat-tu@ac.uni-kiel.de

Prof. Dr. Lutz Kipp

Institut für Experimentelle und Angewandte Physik

Tel.: +49 (431) 880 3875

E-Mail: kipp@physik.uni-kiel.de