Kohlenstoffnanoröhrchen und magnetische Moleküle gelten als
Bausteine für zukünftige nanoelektrische Systeme. Dabei spielen
sowohl ihre elektrischen als auch ihre mechanischen Eigenschaften
eine Rolle. Forscher des Karlsruher Instituts für
Technologie und französische Kollegen aus Grenoble und
Strasbourg berichten nun in der Fachzeitschrift nature nanotechnology,
wie sich die beiden Bausteine auf atomarer Ebene
zusammensetzen lassen und ein quantenmechanisches System
mit neuartigen Eigenschaften bilden.
(DOI: 10.1038/nnano.2012.258)
In dem Experiment nutzten die Forscher ein Kohlenstoffnanoröhrchen,
das zwischen zwei Metallelektroden etwa einen Mikrometer
weit aufgespannt war und mechanisch schwingen kann. Daran
brachten sie ein organisches Molekül an, das dank eines eingebauten
Metallatoms ein magnetisches Moment trug, welches sich in
einem äußeren Magnetfeld ausrichten ließ.
„In diesem Aufbau konnten wir zeigen, dass die Schwingungen des
Röhrchens direkt beeinflusst werden, wenn der Spin sich parallel
oder antiparallel zum Magnetfeld einstellt“, erläutert Mario Ruben,
Arbeitsgruppenleiter am KIT. Beim Umklappen des Spins entsteht
ein Rückstoß, der an das Kohlenstoffnanoröhrchen weitergegeben
wird und es in Schwingung versetzt. Die Schwingung verändert die
Atomabstände des Röhrchens und damit direkt seine Leitfähigkeit,
die als Maß für die Bewegung herangezogen wurde.
Die starke Wechselwirkung zwischen einem magnetischen Spin und
einer mechanischen Schwingung eröffnet – neben der Bestimmung
der Bewegungszustände des Kohlenstoffnanoröhrchens – einige
interessante Anwendungsfelder. So ließen sich die Massen von
einzelnen Molekülen bestimmen oder magnetische Kräfte im Nanobereich
messen. Auch der Einsatz als Quantenbit in einem Quantencomputer
wäre denkbar.
Im begleitenden Kommentarartikel in der gleichen Ausgabe von
nature nanotechnologie wird unterstrichen, wie wichtig solche
Wechselwirkungen in der Quantenwelt, d. h. im Bereich diskreter
Energien und der Tunnelerscheinungen, sind, um in Zukunft die
Vorteile der nanoskopischen Effekte auch in makroskopischen Anwendungen
zu nutzen. Insbesondere könnte die Verbindung von
Spin, Schwingung und Rotation auf der Nanoebene den Weg zu
Anwendungen öffnen, die kein klassisches Vorbild haben und wirklich
neuartige Technologie darstellen.
Homepage der Forschungsgruppen am KIT:
http://www.ruben-group.de/
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