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Nanotechnologie Kleinster Schwingungssensor der Quantenwelt

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Kohlenstoffnanoröhrchen und magnetische Moleküle gelten als Bausteine für zukünftige nanoelektrische Systeme. Dabei spielen sowohl ihre elektrischen als auch ihre mechanischen Eigenschaften eine Rolle. Eine neue Studie zeigt nun, wie sich die beiden Bausteine auf atomarer Ebene zusammensetzen lassen und einen quantenmechanischen Schwingungssensor mit neuartigen Eigenschaften bilden.

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Der Spin des Moleküls (orange) klappt um und verformt das Nanoröhrchen (schwarz), das zwischen zwei Elektroden (gold) aufgespannt ist.
Der Spin des Moleküls (orange) klappt um und verformt das Nanoröhrchen (schwarz), das zwischen zwei Elektroden (gold) aufgespannt ist.
(Bild: C. Grupe/KIT )

Karlsruhe – In dem Experiment nutzten die Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie und französische Kollegen aus Grenoble und Strasbourg 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.

Nanoskopische Effekte auch in makroskopischen Anwendungen nutzen

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.

Wechselwirkungen sind in der Quantenwelt, d. h. im Bereich diskreter Energien und der Tunnelerscheinungen, von enormer Wichtigkeit, 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.

Originalpublikation: Marc Ganzhorn, Svetlana Klyatskaya, Mario Ruben & Wolfgang Wernsdorfer. Strong spin–phonon coupling between a single-molecule magnet and a carbon nanotube nanoelectromechanical system. Nature Nanotechnology, Year published: (2013), DOI: doi:10.1038/nnano.2012.258, Published online 03 February 2013

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