Neuartige magnetische Nanoteilchen, lassen sich unabhängig manipulieren und ordnen sich eigenständig an Nanoschachbrett baut sich selbst zusammen - scinexx | Das Wissensmagazin
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Neuartige magnetische Nanoteilchen, lassen sich unabhängig manipulieren und ordnen sich eigenständig an

Nanoschachbrett baut sich selbst zusammen

Das magnetische Nanoschachbrett. Oberer Teil: Abbildung der Moleküle mit einem Rastertunnelmikroskop. Bei zwei Molekülen ist die Molekülstruktur eingezeichnet. Unterer Teil: schematische Darstellung der Selbstorganisation der Moleküle – sie passen wie Puzzleteile zusammen und fügen sich so immer abwechselnd aneinander. © Paul Scherrer Institut/C. Wäckerlin

Forscher haben Nanoteilchen entwickelt, die sich eigenständig in einer schachbrettartigen Struktur anordnen können. Weil die Mini-Moleküle zudem zwei verschiedene magnetische Kerne- Mangan oder Eisen – besitzen, lässt sich das Schachbrettmuster gezielt manipulieren: Quasi auf Kommando verliert dabei die Hälfte der Felder ihre Magnetisierung. Damit könnte diese Form der Nanoanordnung als Sensor eingesetzt werden, aber auch eines Tages im Quantencomputer von Nutzen sein, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin „Advanced Materials“.

Nanoteilchen stehen seit Langem im Fokus der Wissenschaft, besonders für die technische Anwendung. Grund für das Interesse sind ihre Eigenschaften, die sich von denen in der makroskopischen Welt unterscheiden. So unterliegen die Werkstoffe in Nanogröße den Gesetzen der Quantenphysik. Ein Anwendungsgebiet für die Mini-Moleküle ist der Quantencomputer. Denn als winzige Schalter können magnetische Nanoteilchen an oder ausgeschaltet werden – wie die 0 oder 1 im Binärcode eines herkömmlichen Rechners. Der Quantencomputer gilt als Rechner der Zukunft, da er um vielfaches leistungsfähiger ist, als unsere heutigen Rechner. Allerdings gibt es bei seiner Entwicklung noch einige Hürden zu nehmen.

Schachbrett entsteht wie von selbst

Die Forscher vom Paul Scherrer Instituts (PSI) in der Schweiz und vom Indian Institute of Science Education and Research in Pune haben mit ihren neuen Nanoteilchen jetzt vielleicht eines der Probleme bei der Entwicklung von Nanocomputern gelöst: Sie statteten dazu winzige – etwa einen Nanometer große – organische Moleküle mit einem jeweils einatomigen, magnetischen Kern aus. Durch das Eisen- oder Manganatom in der Mitte werden die Moleküle insgesamt zu einem Mini-Magneten, der wesentlich kleiner ist als analoge magnetische „Bits“ in herkömmlichen Computern. Die so konstruierten Moleküle brachten sie auf eine Kobaltoberfläche auf. Das Besondere dabei: Die Teilchen konnten sich selbstständig auf der Oberfläche anordnen und bildeten dabei von selbst eine Art Schachbrett.

„Wir haben die magnetischen Atome in Moleküle eingebaut und diese Moleküle so konstruiert, dass sie sich auf der Oberfläche von selbst abwechselnd so anordnen, dass ein Schachbrettmuster entsteht.“ Bisher mussten die Forscher solche Strukturen aus magnetischen Atomen höchst aufwändig Atom für Atom selbst konstruieren. Das neuartige magnetische Nanoschachbrett könne sich dagegen von selbst zusammenbauen, erläutert Christian Wäckerlin vom PSI.

Umschalten durch Ammoniak

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Bis zur Anwendung in einem zukünftigen Computer sei es allerdings noch ein weites Stück, so die Wissenschaftler, denn die „Umschaltung“ der Moleküle von magnetisch auf nicht-magnetisch und umgekehrt erzielten sie bisher mit Hilfe eines Ammoniakgases. „Als wir die Moleküle dann Ammoniakgas aussetzten, verband sich mit jedem der Metallatome ein Ammoniak-Molekül“, erklärt Wäckerlin. „Dadurch wurde das mit Ammoniak verbundene Eisenatom unmagnetisch; der Magnetismus des Mangans veränderte sich nur unwesentlich.“ Das Schachbrett bestand damit nun aus abwechselnd magnetischen und unmagnetischen Molekülen. Dieser Vorgang ist auch reversibel: Erwärmt man das ganze System , lösen sich die Ammoniakmoleküle wieder und der ursprüngliche Zustand ist hergestellt.

Für die Anwendung in einem Quantencomputer ist der Einsatz eines Gases zur Umschaltung aber noch nicht geeignet. „Wir haben aber vorgeführt, wie man in einem einfachen, hochgradig geordneten System die Eigenschaften von sehr vielen Atomen reproduzierbar schalten kann“, sagt Wäckerlin.

Alternative Einsätze für das System sind dagegen schon greifbar nah: In einem Ammoniaksensor könnten die Teilchen Verwendung finden. Trifft dann Ammoniakgas auf diesen Sensor, ändert sich die Magnetisierung des „Schachbretts“. Dies lässt sich auslesen und als Indikator nutzen. Auf diese Weise könne man etwa Ammoniak in der Luft nachweisen.

(Advanced Materials, 01.02.2013 – KBE)

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