Erstmals haben Forscher einen aus nur einem Molekül bestehenden Magnetschalter gebaut. Das Farbstoffmolekül ist das erste auf dem Riesenmagnetowiderstand beruhende System, das nicht-metallisch ist und trotzdem einen ausreichend geringen Widerstand für spintronische Anwendungen aufweist. Das jetzt in „Nature Nanotechnology“ veröffentlichte Experiment eröffnet damit neue Möglichkeiten in der Miniaturisierung von Bauteilen.
In einem magnetischen Leiter haben die meisten Elektronen einen Spin, der parallel zum Magnetfeld gerichtet ist. Eine Minderzahl der Elektronen hat einen Spin, der entgegengerichtet ist. Wird ein nicht-magnetisches Metall zwischen zwei magnetische Leiter eingesetzt, tritt der erstmalig von Albert Fert und Peter Grünberg beobachtete Riesenmagnetowiderstand auf: Wenn die Richtung des Magnetfeldes in beiden magnetischen Schichten die gleiche ist, werden Elektronen mit parallelem Spin kaum gestreut und passieren fast ohne Widerstand. Wenn aber die Feldrichtungen in den beiden magnetischen Schichten gegeneinander stehen, haben alle Elektronen einen antiparallelen Spin in entweder der einen oder der anderen Schicht – es fließt kein Strom mehr.
Auf diesem Prinzip basierende Bauelemente bergen ein besonderes Potential, denn sie erlauben es, besonders kleine und leistungsfähige Magnetfeldsensoren für Leseköpfe in Festplatten oder für nicht-flüchtige Speicher herzustellen. Bisher allerdings sind dabei meist nur metallische Materialien eingesetzt worden. Nichtleiter, wie beispielsweise ein molekularer Dünnfilm als Trennschicht, ermöglichen zwar den so genannten Tunnel-Magnetowiderstand, hatten aber insgesamt noch einen zu hohen Widerstand, um kommerziell einsetzbar zu sein.
Farbstoff entpuppt sich als guter Magnetschalter
Jetzt aber ist es einem Team von Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS) erstmals gelungen, einen Magnetfeldsensor zu konstruieren, der aus nur einem nichtmetallischen Molekül besteht. Das deutsch-französische Forscherteam untersuchte dafür in ihren Experimenten das organische Molekül H2-Phthalocyanin, das auch als blauer Farbstoff in Kugelschreibern eingesetzt wird.
Sie stellten fest, dass es eine starke Abhängigkeit seines Widerstands zeigt, wenn es zwischen spinpolarisierten, magnetischen Elektroden eingeklemmt wird. Im Versuch zeigte das H2-Phthalocyanin einen Riesenmagnetowiderstand von 60 Prozent und eine hohe Leitfähigkeit bei geringem Widerstand. „Überraschenderweise kann das Molekül eine hohe Spannungsdichte mit substanzieller Spinpolarisation unterhalten, was die Machbarkeit eines nanomaßstäbigen Spintronik-Bauteils betätigt“, so die Forscher in ihrem Artikel. (Nature Nanotechnology, 2011; doi:10.1038/nnano.2011.11)
(Karlsruhe Institut für Technologie (KIT), 22.02.2011 – NPO)
