Wissenschaftlern ist es gelungen, diese Einschränkung zu überwinden, indem sie Chiralität in ein Magnetmolekül einführten. Die Ergebnisse sind im Journal of the American Chemical Society nachzulesen.
Wie der Name andeutet, ist ein Magnetmolekül ein Magnet, der aus einem einzigen Molekül besteht. Es besitzt ein nicht nullwertiges magnetisches Moment, das oft mit der Anwesenheit von ungepaarten Elektronen aus den Metallionen in der Struktur zusammenhängt.
Das Anlegen eines äußeren Magnetfelds auf diese Objekte richtet die magnetischen Momente jedes Moleküls in eine bestimmte Richtung aus. Dieser magnetische Zustand bleibt erhalten, wenn das Magnetfeld abgeschaltet wird, was jedem Molekül die Erinnerung an das angelegte Magnetfeld verleiht.
Und bei einem so kleinen Speichermaßstab ergeben sich potenzielle Anwendungen für die hochdichte Informationsspeicherung, die Quanteninformatik oder die Spintronik. Es bleibt jedoch die Herausforderung, die magnetischen Informationen, die jedes Molekül trägt, auslesen zu können.
Diese magnetisch gespeicherten Informationen können ohne physischen Kontakt durch optisches Auslesen erfasst werden. Bislang erforderte dies einen Strahl aus polarisiertem Licht (oft Laser) und die Analyse der Änderung der zirkularen Polarisation* durch die Interaktion mit lokalen magnetischen Momenten, ein Phänomen, das als „magneto-optischer Faraday-Effekt“ bekannt ist. Dieses Verfahren wurde kurzzeitig kommerziell genutzt, aber aufgrund der Komplexität der polarisierten Lichtanforderung bald wieder aufgegeben.
Ein solches Hindernis kann überwunden werden, indem Chiralität** und Magnetismus kombiniert werden. Tatsächlich zeigen chirale magnetische Materialien eine Eigenschaft namens magneto-chirale Dichroismus (MChD), was bedeutet, dass ihre Lichtabsorption von unpolarisiertem Licht von ihrem magnetischen Zustand abhängt. Die Einführung von Chiralität in ein Magnetmolekül sollte daher das optische Auslesen ihres magnetischen Zustands mit unpolarisiertem Licht ermöglichen.
Eine Forschergruppe aus Chemikern des Laboratoire national des champs magnétiques intenses (CNRS/ Université Grenoble Alpes/INSA Toulouse/Université Toulouse III Paul Sabatier) gelang es, mithilfe der Prinzipien der Molekularchemie diese Chiralität in ein Magnetmolekül mit einem Dysprosium(III)-Ion zu integrieren. Anschließend entwickelten die Wissenschaftler ein spezifisches Messprotokoll für den magneto-chiralen Dichroismus, das darauf basiert, das angelegte Magnetfeld auf die Moleküle zu variieren – und damit deren Magnetismus – und gleichzeitig kontinuierlich die optische Antwort des Systems für alle Feldstärken aufzuzeichnen.
Die von ihnen erhaltenen magneto-chiralen optischen Daten stimmen perfekt mit den durch Magnetometrie gewonnenen Magnetisierungskurven überein. Diese Ergebnisse, veröffentlicht im J. Am. Chem. Soc., zeigen, dass durch die Einführung von Chiralität in Magnetmoleküle unpolarisiertes Licht in der Lage ist, ihren magnetischen Zustand durch MChD zu sondieren, sogar bei Feldstärken null.
Dies ist ein Paradigmenwechsel im Bereich des optischen Datenauslesens, der den Weg für die Entwicklung neuer Technologien zur optischen Auslesung aufzeigt, ohne dass polarisiertes Licht erforderlich ist.
Anmerkungen:
* Die zirkulare Polarisation des Lichts ist eine Art der Polarisation, bei der das elektrische Feld der Lichtwelle schraubenförmig um die Ausbreitungsrichtung rotiert.
** Chiralität ist eine geometrische Eigenschaft bestimmter Objekte oder Moleküle, die nicht mit ihrem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden können.
Autor: CCdM
Referenz:
Optical Readout of Single-Molecule Magnets: Magnetic Memories with Unpolarized Light.
J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 23616−23624.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c08684