Neodym ist geeigneter Kandidat für die Informationsverarbeitung mit magnetischen Molekülen

Magnetische Moleküle gelten als aussichtsreiche Schaltelemente für die Informationsverarbeitung der Zukunft. Ein Forscherteam hat jetzt besonders robuste magnetische Moleküle hergestellt, deren magnetische Informationen sich auf direktem Weg elektrisch auslesen lassen. Möglich wurde dies durch die Wahl von Neodym, einem Metall der Seltenen Erden, als zentralen Baustein des Moleküls. Die Forschungsergebnisse sind in der Zeitschrift  „Nature Communications“ veröffentlicht.

Grafik, die eine gelbe Schicht zeigt, auf der eine Molekülverbindung liegt. Das Neodymatom im Molekül ist als rote Kugel gekennzeichnet. Über dem Molekül ist die Spitze des Mikroskops als Ansammlung von wenigen, kreisrunden Atomen zu sehen.
Molekül mit Neodymatom

Magnetische Moleküle fungieren wie winzige Magnete und können Informationen in Form von Stromsignalen verarbeiten. Deshalb wäre es mit ihnen möglich, mehr Daten zu speichern und gleichzeitig die dafür nötige Energie zu begrenzen. Denn im Gegensatz zu heutigen Dioden und Transistoren lassen sich solche Moleküle mit minimaler Spannung steuern und weisen dennoch ausgefeilte Schaltfunktionen auf, die vom Magnetismus der Moleküle abhängen. Verbindungen, die Atome von Metallen der Seltenen Erden enthalten, gelten als besonders stabil und schirmen den magnetischen Zustand der zentralen Atome gut ab. Bisher war es aber nicht gelungen, diese magnetischen Informationen direkt auf elektrischem Weg aus den Molekülen auszulesen. Denn die elektrische Kontaktierung führte dazu, dass der elektrische Strom kaum von der magnetischen Struktur beeinflusst wurde.

Um ein geeignetes Metall der Seltenen Erden zu identifizieren, analysierten Forscher um Sarah Fahrendorf vom Forschungszentrum Jülich die Verteilung der Elektronen, die die Atome umgeben. Nur einige dieser Elektronen erzeugen die magnetische Struktur. Sie sollten tief genug in der Elektronenwolke liegen, um nicht von Umgebungseinflüssen beeinträchtigt zu werden, gleichzeitig durften sie nicht so tief liegen, dass sie nicht mehr mit den Elektronen interagieren können, die den elektrischen Strom leiten. „Man könnte auch sagen, Strom und Magnetismus müssen miteinander kommunizieren können“, erläutert Fahrendorfs Kollege Daniel Bürgler.

Genau diese Bedingungen erfüllt Neodym, weil es leichter ist als andere Metalle der Seltenen Erden und sich seine Elektronen in einer größeren Wolke verteilen. Als geeignetes Molekül stellten die Wissenschaftler Neodym-Phthalocyanin her, bei dem sich dieselben Elektronen, die den Magnetismus erzeugen, auch am elektrischen Transport beteiligen. Dies konnte das Team durch den Vergleich simulierter Daten mit experimentellen Werten nachweisen.

Da die Moleküle für gewünschte Funktionen hergestellt werden können, hoffen Fahrendorf, Bürgler und ihre Kollegen, dass sich die sogenannte molekulare Spinelektronik preisgünstig einsetzen lässt. Allerdings sind die Metalle der Seltenen Erden als Rohstoffe bereits sehr begehrt, sie sind zum Beispiel Bestandteil von Mobiltelefonen, Flachbildschirmen, Elektromotoren und Windkraftwerken. Ihr Abbau ist zudem aufwendig, da sie nicht als reine Rohstoffe sondern in Gemischen von Mineralien in der Erdkruste vorkommen. In Deutschland wird deshalb das Recycling dieser Materialien besonders gefördert.