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Rechnen mit Molekülen

Schnellere Computer, die weniger Strom verbrauchen – die sogenannte Spintronik hätte im Vergleich zur herkömmlichen Mikroelektronik viele Vorteile. Winzige schaltbare Moleküle könnten Datenspeicher weiter verkleinern und Computer damit grundlegend verändern.

Illustration von Molekülen
© Jan-Simon von Glasenapp und Rainer Herges

Mit einem winzigen Stromstoß über die Spitze eines Rastertunnelmikroskops lassen sich die neu entwickelten Moleküle schalten und verändern dadurch ihren Spin-Zustand.

»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«, sagt Rainer Herges, Professor für Organische Chemie. Zusammen mit Richard Berndt, Professor für experimentelle Physik, arbeitet er seit langem daran, Moleküle zu entwickeln, die auf elektrische oder optische Anregung reagieren und dadurch chemische und physikalische Funktionen erfüllen. Experimentalphysiker Dr. Manuel Gruber interessiert sich besonders für solche Moleküle, die als magnetische Schalter dienen können. »Das macht sie zu einzigartigen Kandidaten für die Spintronik, um neue Klassen von elektronischen Bauteilen zu realisieren«, ist er überzeugt.

Die Spintronik, auch Spinelektronik genannt, ist ein relativ junges Forschungsgebiet der Nanoelektronik. 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 sogenannte »Spin«. Die Informationsverarbeitung erfolgt darüber, dass Moleküle zwischen zwei verschiedenen Spin-Zuständen hin- und hergeschaltet werden können. Nach einem ähnlichen Prinzip verarbeiten Computer Informationen mit dem Binärcode 0 und 1. Das Forschungsfeld der molekularen Spintronik versucht durch die Kontrolle des Spins in einzelnen Molekülen Datenspeicher weiter zu verkleinern.

»Uns 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«, erklärt Dr. Gruber die Ergebnisse einer internationalen Zusammenarbeit unter seiner Leitung. Neben den Kieler Arbeitsgruppen waren Partner am französischen Elektronen-Synchrotron SOLEIL und des Swiss Light Source-Synchroton am Paul Scherrer Institut in der Schweiz beteiligt.  

Ihre molekularen Spinschalter zeigen auch als Einzelmoleküle Spin-Zustände, 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 zurückgekoppelt zum Eingang, um zwei verschiedene Schaltzustände, 0 und 1, zu realisieren«, ergänzt Dr. Gruber. Die neu entwickelten Moleküle besitzen drei Eigenschaften, die in solchen Schaltungen miteinander gekoppelt sind und jeweils zwischen zwei Zuständen wechseln können: ihr Spin-Zustand kann hoch oder niedrig sein, ihre Form flach oder gebogen und ihre Atome können koordiniert oder unkoordiniert angeordnet sein. Nur zwei Kombinationen der drei Eigenschaften sind stabil und verstärken sich gegenseitig. 

Mit einem Stromstoß lässt sich zwischen den Zuständen der Moleküle hin- und herschalten. Dazu brachte das Forschungsteam die Moleküle durch Verdampfen 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 den Zuständen schalten. 

»Mit unserem neuen Spinschalter haben wir einen großen Schritt hin zu einer weiteren Miniaturisierung gemacht«, meint Herges. Als nächstes wollen die Forschenden diese molekularen Spinschalter miteinander zu komplizierteren, elektronischen Schaltungen verknüpfen, um einfache Computeroperationen durchführen zu können. 

Autorin: Julia Siekmann

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