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Nature Physics Artikel erschienen

Gemeinsam mit Prof. Frithjof Anders von der TU Dortmund und Wissenschaftlern aus Jülich und Münster hat der Physiker Dr. Benedikt Lechtenberg zu Spin-Wechselwirkungen in molekularen Magneten geforscht, die zukünftig für energieeffiziente Computerelektronik genutzt werden könnten. Die Arbeit wird in der renommierten Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Organische Moleküle auf Oberflächen werden als potentielle Kandidaten für eine Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen gehandelt, die traditionelle Halbleiterbauelemente teilweise ersetzen können. Um den Stromverbrauch in zukünftigen Anwendungen wie Computer oder Mobilfunktelefone weiter zu senken und damit die Energieeffizienz zu steigern, versucht man in der aktuellen Forschung anstelle der Ladung eines Elektrons dessen Spin zum Transport und Speicherung von Information zu nutzen.

Gemeinsame Forschung mit der Universität Münster und den Forschungszentrum Jülich: Die experimentelle Gruppe um die Physiker Taner Esat und Prof. Stefan Tautz aus dem Forschungszentrum Jülich gelang es, auf einem PTCDA Molekül ein einzelnes Goldatom aufzubringen, das ein unkonventionelles magnetisches Moment in dem Molekül induziert.

Dr. Benedikt Lechtenberg und Prof. Frithjof Anders entwickelten ein quantenphysikalisches Modell, mit dessen Hilfe durch aufwendige numerische Simulationen präzise quantitative Aussagen über den Einfluss der magnetischen Eigenschaften auf Tunnelströme und deren Temperaturabhängigkeit möglich sind. Dazu lieferte die Dichtefunktiontheorie der Münsteraner Physiker um Dr. Thorsten Deilmann und  Professor Michael Rohlfing die nötigen materialspezifischen Parameter. Das besondere an der Modellierung ist, dass es hier nicht notwendig war, die Modellparameter an das Experiment anzupassen, sondern dass sie aus einer ab-initio Beschreibung aus den fundamentalen Gesetzen der Physik direkt folgen.

Falls nun zwei solche PTCDA-Gold Komplexe benachbart sind, können sich ihre magnetischen Eigenschaften  durch die Dimerbildung qualitativ ändern: Entweder stellen sich die Elektronspins parallel ein und erzeugen damit eine Verdoppelung des magnetischen Moments, oder sie stehen anti-parallel und bilden einen nicht-magnetischen Zustand, was zu ganz unterschiedlichen Charakteristiken in den Tunnelströmen führt, die auch in Jülich gemessen wurden. Durch die mikroskopischen Modellierungen konnten die Dortmunder Physiker nachweisen, dass sehr kleine Unterschiede in den chemischen Bindungszuständen diese drastischen Änderung der magnetischen Eigenschaft hervorrufen. Dies kann neue Möglichkeiten des Schaltens von Strömen über die Änderung des Spinzustands der Dimere eröffnen.

3 Fragen an Dr. Benedikt Lechtenberg zu seiner Publikation in Nature Physics

Dr. Lechtenberg, herzlichen Glückwunsch zu Ihrer Publikation. Worum geht es in dem Paper?

Wir haben untersucht, wie sich die magnetischen Eigenschaften von zwei benachbarten Molekülen auf einer Oberfläche ändern, wenn die chemische Bindung zwischen ihnen variiert wird. Dabei haben wir festgestellt, dass schon kleine Änderungen zu ganz unterschiedlichen Charakteristiken führen. Nachdem wir diesen chemischen Mechanismus verstanden haben, könnte man nun daran denken, durch sehr kleine Spannungen diese unkonventionellen magnetischen Eigenschaften zu schalten. Schließlich ist ein großes Ziel, in der Computerelektronik nicht nur die Ladungseigenschaften, sondern auch magnetische Eigenschaften zu nutzen, weil man sich davon massive Energieeinsparung verspricht.

Für welchen Teil der Forschung war denn die Arbeitsgruppe der TU Dortmund zuständig?

Wir haben ein Modell entwickelt, mit dem die ungewöhnlichen experimentellen Ergebnisse der Kollegen vom Forschungszentrum Jülich erklärt werden können. Dieses Modell haben wir für unsere numerischen Simulationen benutzt und konnten die Ergebnisse mit den Experimenten vergleichen. Erstaunlich war, dass unsere berechneten Ergebnisse, trotz aller Vereinfachungen, die wir für das Modell angenommen haben, nahezu perfekt mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Für diese Arbeit stand ich in regem Austausch mit den anderen Doktoranden aus Jülich und Münster. Da wir alle unser Fachwissen auf unterschiedlichen Gebieten haben, konnten wir uns perfekt ergänzen.

Wie geht es jetzt für Sie weiter?

Zurzeit bewerbe ich mich auf ein Stipendium für einen Forschungsaufenthalt in Japan, um dort Auslandserfahrungen zu sammeln. Wenn das klappt, würde ich in Kyoto in diesem Bereich weiter arbeiten und meine Forschung auf mehr als zwei Moleküle ausweiten.

 

Dr. Benedikt Lechtenberg hat an der TU Dortmund studiert und promoviert. Sein Physikstudium schloss er 2011 mit dem Diplom ab. Die Promotion bei Prof. Frithjof Anders beendete er im März 2016. Aktuell ist der 29-Jährige als Postdoc im Bereich Theoretische Physik II bei Prof. Anders tätig.

Das Interview führte Lena Reil, Hochschulkommunikation, TU Dortmund.

Die Publikation in Nature Physics ist hier zu finden: "A chemically driven quantum phase transition in a two-molecule Kondo system"