Mit der wissenschaftlichen Eroberung der Quantenwelt ist auch das Interesse gestiegen, Teilcheneigenschaften auf atomarer Ebene zu kontrollieren und manipulieren. Von Interesse ist beispielsweise der Elektronenspin, der für das magnetische Moment von Molekülen verantwortlich ist, und der in molekularen Schaltern Anwendung finden kann. Die Kontrolle der magnetischen Eigenschaften von Molekülen auf Oberflächen steht auch im Fokus eines kürzlich unter Mitwirkung von Grazer Forschern in Advanced Science erschienenen Artikels (DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202300223). Ein genauer Blick auf den Elektronenspin hat dabei ungewöhnliche Ergebnisse geliefert.
Je nach Elektronanzahl können Moleküle unterschiedlichen Spin aufweisen. Um nun Spinzustände näher zu untersuchen, eignen sich besonders gut organische Moleküle, in deren Zentrum ein Übergangsmetallatom gebunden ist. Im Vergleich zu anderen Elementen, sind Übergangsmetalle flexibel in ihrer Elektronenanzahl und können leicht zwischen verschiedenen magnetischen und nicht-magnetischen Spinzuständen wechseln. Einem dieser metall-organischen Komplexe, dem sogenannten Nickel-Phthalocyanin, widmete sich die internationale Kooperation von Experimenten und theoretischen Berechnungen unter Beteiligung des Instituts für Physik der Universität Graz. Messungen an einer Monolage dieses Moleküls auf einer Kupfer-Oberfläche ließen das gleichzeitige Auftreten zweier Spinzustände in derselben Lage vermuten – ein seltener Effekt.
In Graz durchgeführte Simulationen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie haben die Interpretation der experimentellen Beobachtungen ermöglicht. Die beiden Spinzustände resultieren von zwei verschiedenen Geometrien des Moleküls, die sich maßgeblich in der Position des Nickelatoms unterscheiden. Während der ursprüngliche Komplex kein magnetisches Moment aufweist, wird das Nickelatom durch die Wechelwirkung mit der Kupferoberfläche aus dem Molekülkomplex in Richtung Oberfläche gezogen werden. Diese energetisch ähnlich stabile Geometrie besitzt nun sehr wohl ein magnetisches Moment. Die Verankerung beider Spezies auf der Oberfläche ist so stark, dass das Phänomen sogar bei Raumtemperatur beobachtet werden kann.
Publikation:
Surface-Mediated Spin Locking and Thermal Unlocking in a 2D Molecular Array
Iulia Cojocariu, Andreas Windischbacher, Daniel Baranowski, Matteo Jugovac, Rodrigo Cezar de Campos Ferreira, Jiří Doležal, Martin Švec, Jorge Manuel Zamalloa-Serrano, Massimo Tormen, Luca Schio, Luca Floreano, Jan Dreiser, Peter Puschnig, Vitaliy Feyer, Claus M. Schneider
Advanced Science: https://doi.org/10.1002/advs.202300223
