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Magnetische Moleküle für neue elektronische Bauelemente

Internationales Forschungsnetzwerk "Cosmics" tagt an der Universität Kiel

Wie müssen Moleküle aussehen, um zum Beispiel als effiziente Datenspeicher in winzigen elektronischen Bauelementen nutzbar zu sein? Fragen wie diese diskutierten die Mitglieder des internationalen Forschungsprojekts COSMICS “Concepts and Tools in Molecular Spintronics” in der vergangenen Woche bei ihrem Workshop an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Das Konsortium besteht neben der CAU aus fünf weiteren europäischen Partnern, darunter Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Frankreich, Spanien und Dänemark. Das interdisziplinäre Forschungsteam aus Physik, theoretischer Physik und Chemie erforscht magnetische Effekte in einzelnen Molekülen, die sich in metallischen Kontakten oder Bauelementen befinden. Solche Anordnungen können auch in Magnetfeldsensoren zum Einsatz kommen. Gemeinsam mit einem dänischen Software-Unternehmen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Programm entwickeln, mit dem sich die Eigenschaften solcher Bauelemente vorhersagen lassen. Es wird  sowohl für wissenschaftliche als auch industrielle Forschung eingesetzt werden. Das Projekt wird seit 2017 im Rahmen des Forschungsprogramms „Horizon 2020“ von der Europäischen Union mit rund 3,8 Millionen Euro gefördert. Die Förderdauer beträgt vier Jahre.

„Moleküle gehören zu den kleinsten nutzbaren Bausteinen, die es gibt. Wir hoffen, dass wir damit auch völlig neue elektronische Bauteile entwickeln können, kleiner als bisherige“, beschreibt Professor Cyrille Barreteau von der französischen Forschungseinrichtung CEA (Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives) die Grundidee hinter „COSMICS“. „Für die fortschreitende Miniaturisierung der Elektronik werden solche Komponenten dringend benötigt.“ Barreteau koordiniert das internationale Projekt aus der Molekularen Spintronik. Das vergleichsweise junge Forschungsfeld verbindet die molekulare Elektronik, bei der Moleküle als Bestandteil elektronischer Bauteile dienen, und die Spintronik, die elektrische und magnetische Eigenschaften von Elektronen nutzt, um Informationen zu verarbeiten und zu speichern. 

Ziel des Projektes ist es, die in den Molekülen wirkenden magnetischen Effekte besser zu verstehen und dann auch vorherzusagen. Basierend darauf sollen langfristig neue mikroelektronische Bauteile entwickelt werden können. Dafür sucht das COSMICS-Forschungsteam unter anderem nach dem optimalen Zusammenspiel von speziellen Molekülen und den passenden Trägermaterialien. Computersimulationen sollen helfen, die schier unendlichen Kombinationsmöglichkeiten zu berechnen. Auf dieser Grundlage will das EU-Konsortium ein nutzerfreundliches Programm entwickeln, das komplexe Modellierungen einer breiteren Anzahl von wissenschaftlichen Arbeitsgruppen und Firmen als bisher zugänglich macht. Da im COSMICS-Projekt theoretische und experimentelle Physik sowie Industrie eng zusammenarbeiten, werden die entwickelten Simulationsinstrumente in diesem Rahmen auch praktisch getestet.

„Dieses Projekt können wir nur realisieren, indem wir die jeweils besondere Kompetenz der verschiedenen Projektpartner verbinden – zum Beispiel die Expertise der Kieler Arbeitsgruppe, Moleküle einzeln zu manipulieren“, hebt Barreteau beim Workshop an der CAU hervor. „Ich freue mich, dass die EU es mit ihrer Förderung ermöglicht, dass hier die weltweit besten Gruppen auf diesem Gebiet zusammenarbeiten können“, sagt Professor Richard Berndt, Leiter der Kieler Arbeitsgruppe „Raster-Tunnelmikroskopie“ am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik. Zentrale Vorarbeiten dazu sind im Kieler Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ entstanden.

    Beteiligte Projektpartner:

    • Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA), Projektkoordination
    • Christian-Albrechts-Universität zu Kiel  (CAU)
    • Université Paris Diderot (UPD)
    • Universitat de Valencia (UVEG)
    • Technical University of Denmark (DTU)
    • Software-Unternehmen Synopsys Denmark (SNPS DK)

    Weitere Informationen:

    http://cosmics-h2020.eu/

    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. phil. Richard Berndt
    Arbeitsgruppe Raster-Tunnelmikroskopie
    Universität Kiel
    +49 431 880-3946
    berndt@physik.uni-kiel.de
    www.physik.uni-kiel.de/de/institute/ag-berndt

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