Forscher sehen Molekulare Magneten in neuem Licht

Erkenntnisse über Molekulare Magnete könnten künftig völlig neue Horizonte für eine neue Form der Datenspeicherung sowie der Spintronik (Elektronik mit Spins) auf der Basis einzelner Moleküle eröffnen. Eine Voraussetzung für die Verwirklichung solcher Anwendungen ist jedoch die Weiterentwicklung neuartiger Molekularer Magnete auf der Basis der genauen Kenntnis ihrer magnetischen Wechselwirkungsenergien. Alexander Schnegg und Kollegen vom HZB und der FU Berlin haben nun erstmals EPR (Elektronenparamagnetische Resonanz) Spektroskopie in Kombination mit kohärenter Synchrotron Strahlung verwendet, um die magnetischen Wechselwirkungen eines Molekularen Magneten, dem Molekül Mn12Ac, zu untersuchen. Ziel dieser Untersuchungen war die Vermessung einer besonderen quantenmechanischen Eigenschaft, dem Eigendrehimpuls (Spin). Spins richten sich ähnlich kleinen Stabmagneten in einem äußeren Magnetfeld aus und bestimmen so die Magnetisierung des Materials. Sie richten sich sowohl in einem von außen angelegten Feld, als auch an den Feldern im Inneren des Materials aus. Ändern lässt sich die Orientierung der Spins durch die Einstrahlung von Licht, wobei nur solche Lichtquanten Spinübergänge verursachen, deren Energie genau der Spinübergangsenergie entsprechen. In Molekülen verschwindet die Ausrichtung der Spins normalerweise wieder sobald das äußere Magnetfeld abgeschaltet wird. In einer kleinen, aber wichtigen Klasse von Molekülen sind die inneren Wechselwirkungen aber so stark, dass sie ein magnetisches Gedächtnis besitzen und ihre Magnetisierung auch nach Abschalten des Feldes behalten. Dies sind die Molekularen Magneten. Leider haben sie diese Eigenschaften bisher nur bei sehr tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Um diese Eigenschaften weiter zu optimieren, um vielleicht einmal Molekulare Magneten bei Raumtemperatur einzusetzen zu können, sind vor allem Messverfahren wie das am HZB aufgebaute Experiment notwendig.  Bahnbrechend ist dabei die Kombination der Instrumentierung – zum einen die Anwendung von kohärenter Synchrotronstrahlung im TeraHertzbereich, verbunden mit einem sehr starken Magneten von 11 Tesla, und einem ultra hochauflösenden FTIR-Spektrometer. Mit dem am HZB verfügbaren so genannten low alpha Modus erreichten Schnegg und Kollegen eine 103-fach höhere Intensität im Vergleich zu klassischen Quellen. Damit ist es möglich, einen sehr breiten Frequenzbereich mit höchster Auflösung in wenigen Minuten abzufahren und somit zeitliche Änderungen magnetischer Eigenschaften festhalten zu können.  Aufgebaut wurde das Spektrometer im Rahmen des BMBF geförderten Netzwerkprojektes EPR-Solar, das es den Forschern am HZB erlaubt, mit Partnern an der FU Berlin, dem Max-Planck Institut für Eisenforschung, dem Forschungszentrum Jülich und der TU München dedizierte Methoden der EPR für den Einsatz in der Energieforschung zu entwickeln. Bisher mit so großem Erfolg, dass das BMBF ein weiteres weltweit einmaliges 263 GHz EPR-Spektrometer fördert, das Ende des Jahres ebenfalls in Adlershof in Betrieb genommen werden soll.

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