Het ziet eruit als een kruis met vier armen van gelijke lengte met een centraal atoom op hun snijpunt. Alle atomen zijn in één vlak gerangschikt, zodat het molecuul absoluut vlak is - tenminste in de normale toestand.

Natuurkundigen van de Universiteit van Würzburg zijn er nu in geslaagd dit molecuul te manipuleren met behulp van een speciale afzetting en een elektrisch veld om permanent twee verschillende toestanden aan te nemen. Dit zou het molecuul geschikt kunnen maken als een soort 'moleculaire schakelaar' voor spintronica-toepassingen - een baanbrekende dataverwerkingstechnologie op basis van elektronenspin.

De moleculaire switch is het resultaat van een samenwerking van leden van de afdelingen Experimentele en Theoretische Fysica van de Universiteit van Würzburg:Dr. Jens Kügel, een postdoc bij de vakgroep Experimentele Fysica II, de experimenten bedacht en uitgevoerd. Giorgio Sangiovanni, een hoogleraar theoretische fysica aan het Instituut voor theoretische fysica en astrofysica, was belast met het interpreteren ervan. Het team heeft onlangs hun onderzoeksresultaten gepubliceerd in het huidige nummer van het tijdschrift npj Quantum Materials.

Een brug bouwen met een kleurstofmolecuul

"We gebruikten een mangaan-ftalocyaninemolecuul, een kleurstof die normaal niet kan worden omgeschakeld, " Sangiovanni beschrijft de aanpak van de natuurkundigen. Jens Kügel moest zijn toevlucht nemen tot een truc om er een moleculaire schakelaar van te maken:hij monteerde het molecuul op een heel speciaal metalen oppervlak dat was opgebouwd uit zilver- en bismutatomen.

Omdat bismutatomen veel groter zijn dan zilveratomen, hun regelmatige opstelling bedekt het metalen oppervlak als lage muren. Onregelmatigheden in deze structuur resulteren in een grotere afstand tussen twee bismutgebieden als een opgedroogde rivierbedding. Het mangaan-ftalocyaninemolecuul bouwt vervolgens een brug over deze rivierbedding om de metafoor voort te zetten.

Geschakeld door een elektrisch veld

Jens Kügel gebruikte een speciale techniek om het molecuul zijn schakeleigenschap te geven. Toen hij het mangaanatoom in het midden van het molecuul naderde met een zeer fijne punt die een elektrisch veld uitstraalde, het centrale atoom veranderde van positie en bewoog een beetje naar het metalen oppervlak uit het moleculaire vlak. "Op deze manier, het molecuul nam twee stabiele schakelbare toestanden aan, ' zegt de natuurkundige.

fysiek, het molecuul creëert een groot magnetisch moment vanwege de positieverandering van het centrale atoom. Vanwege speciale kwantumfysica-verschijnselen, deze verandering van positie beïnvloedt het hele molecuul, extern manifesteren door duidelijk verschillende magnetische eigenschappen. Natuurkundigen noemen dit het Kondo-effect.

Een nieuw concept om moleculaire schakelaars te bouwen

Normaal gesproken, moleculaire schakelaars worden gesynthetiseerd om intrinsiek stabiel te zijn in meerdere toestanden. "We hebben nu aangetoond dat deze functionaliteit ook in niet-schakelbare moleculen kan worden gecreëerd door selectief de omgeving van het molecuul te manipuleren, " Kügel en Sangiovanni leggen het centrale resultaat van hun paper uit. De natuurkundigen hebben dus een nieuw concept ontwikkeld om moleculaire schakelaars te bouwen waarvan zij denken dat ze in de toekomst nieuwe ontwerpmogelijkheden in moleculaire elektronica zullen openen.

Succesvolle samenwerking in het Collaborative Research Center

De succesvolle samenwerking van theoretische en experimentele natuurkundigen aan de Universiteit van Würzburg is ook gebaseerd op het Collaborative Research Centre "Topological and Correlated Electronics at Surfaces and Interfaces", korte ToCoTronics, die zich in Würzburg bevindt. De focus ligt op speciale fysieke verschijnselen - elektronische correlaties en topologische fysica, en bovenal, hun interacties die een enorm toepassingspotentieel hebben voor nieuwe, baanbrekende technologieën van morgen.