Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen.

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi flache Ferrimagneten wären gut geeignet, um als Sensoren, Datenspeicher oder in einem Quantencomputer zum Einsatz zu kommen, da bei der zweidimensionalen Anordnung der Magnetzustand der einzelnen Atome oder Moleküle ausgelesen werden kann. Allerdings war es aus mathematischen und geometrischen Gründen bisher nicht möglich, zweidimensionale Ferrimagneten herzustellen.

Wahl der Materialien macht das Unmögliche möglich

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Professor Dr. Thomas Jung, der sowohl am Paul Scherrer Institute (PSI) wie auch am Departement Physik der Universität Basel eine Forschungsgruppe leitet, haben nun eine Möglichkeit zur Herstellung eines zweidimensionalen Ferrimagneten gefunden.

Zunächst stellten die Forscher sogenannte Phytalocyanine her. Dabei handelt es sich um Kohlenwasserstoffverbindungen, die verschiedene magnetische Zentren aus Eisen und Mangan besitzen. Werden diese Phytalocyanine auf eine Goldoberfläche aufgebracht, ordnen sie sich selbst zu einem Schachbrettmuster an, bei dem sich Moleküle mit Eisen- und Manganzentrum abwechseln. In Experimenten konnten die Forscher belegen, dass die Fläche magnetisch ist, dass der Magnetismus des Eisens und des Mangans verschieden stark ist sowie in entgegengesetzte Richtungen zeigt – alles Eigenschaften, die einen Ferrimagneten kennzeichnen.

Ausschlaggebend für diese Eigenschaften ist das elektrisch leitende Goldsubstrat, das die magnetische Ordnung vermittelt, so der Erstautor Dr. Jan Girovsky vom PSI. Ohne das Goldsubstrat würden die magnetischen Atome nichts voneinander spüren und das Material wäre auch nicht magnetisch.

Die entscheidende Wirkung der Leitungselektronen im Goldsubstrat zeigt sich in einem physikalischen Effekt, der mittels Rastertunnelmikroskopie unter jedem magnetischen Atom nachgewiesen werden konnte. Die Experimente wurden bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt und liefern so Hinweise auf die Stärke der magnetischen Kopplung in dem neuartigen magnetischen Material. Modellrechnungen bestätigten den experimentell beobachteten Effekt und lieferten den Hinweis, dass spezielle, an die Oberfläche gebundene Elektronen im Goldsubstrat für diese Art des Magnetismus verantwortlich sind.

Originalbeitrag – Jan Girovsky, Jan Nowakowski, Md. Ehesan Ali, Milos Baljozovic, Harald R. Rossmann, Thomas Nijs, Elise A. Aeby, Sylwia Nowakowska, Dorota Siewert, Gitika Srivastava, Christian Wackerlin, Jan Dreiser, Silvio Decurtins, Shi-Xia Liu, Peter M. Oppeneer, Thomas A. Jung and Nirmalya Ballav, Long-range ferrimagnetic order in a two-dimensional supramolecular Kondo lattice, Nature Communications (2017), doi: 10.1038/ncomms15388

http://www.psi.ch