Molekulare Lichterkette eröffnet Wege für Quantentechnologien
Forschenden der Empa ist ein Durchbruch gelungen. Mit atomarer Präzision koppeln sie Porphyrin-Moleküle an Graphen-Nanobänder. Das Ergebnis ist ein hybrides System, das elektronische, magnetische und optische Eigenschaften vereint, mit Potenzial für Sensorik, Elektronik und Quantenanwendungen.
Porphyrine sind zentrale Bausteine der Natur. Sie bilden die Basis für Hämoglobin im Blut oder Chlorophyll in Pflanzen. In Kombination mit Metallzentren erhalten sie vielseitige chemische und physikalische Eigenschaften. Empa-Forschende nutzten nun dieses Prinzip, um Porphyrine gezielt an ein Graphen-Nanoband mit Zickzack-Rändern anzudocken. Die Bindung erfolgte mit höchster Präzision und bildet eine Art molekulare Kette mit exakt definierten Abständen.
Magnetismus trifft Quantenlogik
Das Graphenband bringt einen eigenen Randmagnetismus mit, während die Metallzentren der Porphyrine konventionellen Magnetismus beisteuern. Beide Systeme wurden erfolgreich gekoppelt, ein entscheidender Schritt für quantentechnologische Anwendungen. Das hybride Material könnte als Reihe vernetzter Qubits fungieren, in denen Spins als Informationsträger genutzt werden.
Elektronik und Optik in einem System
Die Porphyrine sind nicht nur magnetisch aktiv, sondern auch optisch wirksam. Sie können Licht abstrahlen, dessen Wellenlänge vom magnetischen Zustand beeinflusst wird. Eine Art molekulare Lichterkette, die Informationen durch Farbänderungen überträgt. Umgekehrt lässt sich das System durch Licht anregen, was Leitfähigkeit und Magnetismus des Graphenbands verändert. Damit eröffnet sich ein breites Spektrum an Anwendungen von chemischen Sensoren bis hin zu neuartigen Bauelementen der Elektronik.
Baukasten für die Zukunft
Die Synthese dieser Strukturen erfordert aufwendige Verfahren. Unter Ultrahochvakuum und bei hohen Temperaturen werden die präzise designten Ausgangsmoleküle auf einer Goldoberfläche zu den Ketten „gebacken“. Unterstützt von der Werner Siemens-Stiftung arbeitet das Empa-Team nun daran, durch Variationen der Metallzentren und Graphenbreiten noch vielseitigere Systeme zu entwickeln. Ziel ist es, Designer-Materialien zu schaffen, die die Grundlage für zukünftige Quantentechnologien bilden.
Die Kombination von Porphyrinen und Graphen eröffnet eine neue Klasse molekularer Systeme. Sie verbindet Chemie, Magnetismus und Optik in nanoskaligen Strukturen und legt den Grundstein für die Elektronik und Quantentechnologie von morgen.