Det ser ut som ett kors med fyra lika långa armar som har en central atom vid deras skärningspunkt. Alla atomer är ordnade i ett plan så att molekylen är absolut plan - åtminstone i normaltillstånd.

Fysiker från University of Würzburg har nu lyckats manipulera denna molekyl med hjälp av en speciell deposition och ett elektriskt fält för att permanent ta sig an två olika tillstånd. Detta kan göra molekylen lämplig som ett slags "molekylär switch" för spintronikapplikationer - en banbrytande databehandlingsteknik baserad på elektronspinn.

Den molekylära omkopplaren är frukten av ett samarbete mellan medlemmar från avdelningarna för experimentell och teoretisk fysik vid universitetet i Würzburg:Dr. Jens Kügel, en postdoc vid Institutionen för experimentell fysik II, utarbetat och körde experimenten. Giorgio Sangiovanni, professor i teoretisk fysik vid Institutet för teoretisk fysik och astrofysik, stod för tolkningen av dem. Teamet har nyligen publicerat sina forskningsresultat i det aktuella numret av tidskriften npj Quantum Materials.

Bygga en bro med en färgämnesmolekyl

"Vi använde en manganftalocyaninmolekyl, ett färgämne som normalt inte kan bytas, "Sangiovanni beskriver fysikernas tillvägagångssätt. Jens Kügel var tvungen att ta till ett trick för att förvandla den till en molekylär omkopplare:Han monterade molekylen på en mycket speciell metallisk yta byggd av silver- och vismutatomer.

Eftersom vismutatomer är mycket större än silveratomer, deras vanliga arrangemang täcker metallytan som låga väggar. Oegentligheter i denna struktur resulterar i ett större avstånd mellan två vismutområden som en uttorkad flodbotten. Manganftalocyaninmolekylen bygger sedan en bro över denna flodbotten för att fortsätta metaforen.

Växlad av ett elektriskt fält

Jens Kügel använde en speciell teknik för att ge molekylen dess kopplingsegenskap. När han närmade sig manganatomen i mitten av molekylen med en mycket fin spets som avgav ett elektriskt fält, den centrala atomen ändrade sin position och rörde sig en bit ner mot metallytan ur molekylplanet. "På det här sättet, molekylen tog två stabila omkopplingsbara tillstånd, säger fysikern.

Fysiskt, molekylen skapar ett stort magnetiskt moment på grund av positionsförändringen av dess centrala atom. På grund av speciella kvantfysikfenomen, denna förändring av position påverkar hela molekylen, manifesteras externt genom tydligt olika magnetiska egenskaper. Fysiker kallar detta Kondo -effekten.

Ett nytt koncept för att bygga molekylära switchar

I vanliga fall, molekylomkopplare syntetiseras för att vara i sig stabila i flera tillstånd. "Vi har nu visat att denna funktionalitet kan skapas även i icke-omkopplingsbara molekyler genom att selektivt manipulera molekylens miljö, "Kügel och Sangiovanni förklarar det centrala resultatet av sitt papper. Fysikerna har därför utvecklat ett nytt koncept för att bygga molekylära switchar som de tror kommer att öppna nya designmöjligheter inom molekylär elektronik i framtiden.

Framgångsrikt samarbete i Collaborative Research Center

Det framgångsrika samarbetet mellan teoretiska och experimentella fysiker vid University of Würzburg är också baserat på Collaborative Research Center "Topological and Correlated Electronics at Surfaces and Interfaces", kort ToCoTronics, som ligger i Würzburg. Dess fokus ligger på speciella fysiska fenomen - elektroniska korrelationer och topologisk fysik, och över allt, deras interaktioner som har stor applikationspotential för nya, morgondagens banbrytande teknik.