Ein Molekül mehr oder weniger schaltet Kopplung an Supraleiter

Zählen wir die Glieder. In einer molekularen Kette aus wenigen Einheiten reicht eine mehr oder weniger, um darüber zu entscheiden, ob die Kette überhaupt mit einem Supraleiter wechselwirkt. Forschende des Forschungszentrums CIC nanoGUNE haben dies gemeinsam mit Chemikern der Universität Santiago de Compostela auf einer Oberfläche im atomaren Maßstab gezeigt und im Fachjournal Nature veröffentlicht.

Die Ketten bestehen aus Triangulenen, kleinen dreieckigen Graphen-Fragmenten, die jeweils einen Spin tragen, ein winziges magnetisches Moment, dessen Wert 1 beträgt. Koppeln diese Einheiten, verbinden sich ihre Spins zu einem kollektiven Quantenzustand, der als Haldane-Phase bekannt ist. Die Theorie dazu wurde vor mehr als vier Jahrzehnten vorgestellt. Eine Kette aus Einheiten mit ganzzahligem Spin hat eine bemerkenswerte Eigenschaft: Sie trägt fraktionierte Spinzustände von 1/2 an beiden Enden. Das Team wollte herausfinden, was geschieht, wenn diese Enden auf einen Supraleiter treffen, also auf ein Material, das Strom ohne Widerstand leitet, sobald es in den supraleitenden Zustand abgekühlt ist.

Die Schwierigkeit lag in der Oberfläche selbst. Gold eignet sich am besten, um solche Kohlenstoffstrukturen durch Synthese auf der Oberfläche aufzubauen, doch Gold wird nicht supraleitend. Niob wird supraleitend, seine chemische Umgebung erlaubt jedoch keine solche Synthese. Die Lösung des Teams bestand darin, einen Goldfilm mit 25 bis 30 Atomlagen Dicke auf einem Niob-Kristall wachsen zu lassen. Das Gold nimmt durch die Nähe zum Niob Supraleitung an und behält seine eigene Chemie bei. Die Moleküle lassen sich so auf einer Oberfläche aufbauen, die sich wie ein Supraleiter verhält.

Mit Tunnelmikroskopie und -spektroskopie vermaß das Forschungsteam die Ketten einzeln und fand einen deutlichen Paritätseffekt. Bei Ketten mit ungerader Anzahl an Triangulenen zeigte sich ein charakteristisches Anzeichen für eine Wechselwirkung zwischen einem magnetischen Moment und dem supraleitenden Zustand. Bei Ketten mit gerader Anzahl verschwand dieses Anzeichen. Entscheidend für die Kopplung ist also die Zahl der Einheiten und nicht allein das Material. Für alle, die molekulare Bauelemente entwickeln, bedeutet das: Die Wechselwirkung lässt sich bereits bei der Synthese festlegen, Einheit für Einheit.

Für das Fachgebiet ist der Gewinn eine Möglichkeit, die Kopplung gezielt ein- oder auszuschalten. Der leitende Forscher Nacho Pascual vom CIC nanoGUNE weist darauf hin, dass magnetische Moleküle als Kandidaten für Quantenbits gelten. Ein Supraleiter könnte sie sowohl auslesen als auch vor Störungen abschirmen, vorausgesetzt, ihre Wechselwirkung lässt sich steuern. Die Studie zeigt einen Weg dazu. Das Team versteht die Arbeit als Plattform, um Molekül für Molekül zu untersuchen, wie magnetische Zustände und topologische Phasen mit einem Supraleiter zusammenwirken. Sie weist auf künftige Sensoren und Quantentechnologien hin. Einen Zeitplan nennt das Team nicht, und die Ergebnisse bleiben Labormessungen, die noch nicht in Bauelemente überführt wurden.