Bestrahlt man Moleküle mit Infrarotlicht, beginnen sie aufgrund der Energiezufuhr zu schwingen. Dieses bekannte Phänomen war für Andreas Hauser vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz Ausgangspunkt für die Überlegung, ob sich diese Schwingungen auch zur Erzeugung magnetischer Felder nutzen ließen.
Denn Atomkerne sind positiv geladen, und wenn sich ein geladenes Teilchen bewegt, entsteht ein Magnetfeld. Am Beispiel von Metallphthalocyaninen – ringförmigen, planaren Farbstoffmolekülen – haben Hauser und sein Team nun berechnet, dass diese Moleküle aufgrund ihrer hohen Symmetrie tatsächlich winzige Magnetfelder im Nanometerbereich erzeugen, wenn Infrarot-Pulse auf sie einwirken.
Den Berechnungen zufolge sollte es möglich sein, die relativ niedrige, aber sehr präzise lokalisierte Feldstärke mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie zu messen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der Zeitschrift der American Chemical Society.
Kreistanz der Moleküle
Für die Berechnungen griff das Team auf zum Teil Jahrzehnte alte Vorarbeiten aus den Anfängen der Laserspektroskopie zurück und berechnete mit Hilfe der modernen Elektronenstrukturtheorie auf Supercomputern des Vienna Scientific Clusters und der TU Graz, wie sich Phthalocyanin-Moleküle bei der Bestrahlung mit zirkular polarisiertem Infrarotlicht verhalten. Dabei passierte: Die zirkular polarisierten, also spiralförmig verdrehten Lichtwellen regen zwei Molekülschwingungen gleichzeitig an, die senkrecht zueinander stehen.
„Wie jedes Rumba-Tanzpaar weiß, entsteht durch die richtige Kombination aus vorwärts-rückwärts und links-rechts eine kleine, geschlossene Schleife. Und diese Kreisbewegung jedes betroffenen Atomkerns erzeugt tatsächlich ein Magnetfeld, allerdings nur sehr lokal, mit Dimensionen im Bereich von wenigen Nanometern“, sagt Hauser.
Moleküle als Schaltkreise in Quantencomputern
Durch gezielte Manipulation des Infrarotlichts sei es sogar möglich, Stärke und Richtung des Magnetfelds zu kontrollieren, erklärt Hauser. Damit würden die Moleküle zu hochpräzisen optischen Schaltern, mit denen sich vielleicht auch Schaltkreise für einen Quantencomputer bauen ließen.
Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen vom Institut für Festkörperphysik der TU Graz und einem Team der Universität Graz will Hauser nun experimentell nachweisen, dass sich molekulare Magnetfelder kontrolliert erzeugen lassen.
„Für den Nachweis, aber auch für künftige Anwendungen muss das Phthalocyanin-Molekül auf einer Oberfläche platziert werden. Dadurch verändern sich allerdings die physikalischen Bedingungen, was wiederum die lichtinduzierte Anregung und die Eigenschaften des Magnetfelds beeinflusst“, erklärt Hauser.
„Wir wollen daher ein Trägermaterial finden, das den gewünschten Mechanismus möglichst wenig beeinflusst.“ Im nächsten Schritt wollen der Physiker und seine Kollegen die Wechselwirkungen zwischen den aufgebrachten Phthalocyaninen, dem Trägermaterial und dem Infrarotlicht berechnen und die vielversprechendsten Varianten anschließend im Experiment testen.
Mehr Informationen:
Raphael Wilhelmer et al, Molekulare Pseudorotation in Phthalocyaninen als Mittel zur Magnetfeldkontrolle im Nanomaßstab, Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c01915