Der Eigendrehimpuls (Spin) von Elektronen hat vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Es ist jedoch schwierig, den Spin zu kontrollieren und stabil zu halten – was für Anwendungen wie der Spintronik und für andere Quantentechnologien wichtig ist.

In der Veröffentlichung, die nun den ACS Impact Award erhalten hat, ist es den Forschenden aus Basel und Bern gelungen, bei bestimmten Molekülen auf einer Oberfläche deren Ladung und Spin gezielt zu steuern.

Das Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat dazu ein spezielles Molekül synthetisiert (Tetrabromo-Tetraazapyren-Derivat). Mithilfe der Rastertunnelmikroskopie (STM) platzierten die Forschenden dieses Molekül auf einer Bleioberfläche und bauten durch STM-Manipulation einzelne Moleküle zu Paaren (Dimeren) oder Ketten aus bis zu fünf Molekülen auf, um deren Quanteneigenschaften zu untersuchen.

Besonders interessant dabei sind die Wechselwirkungen der Spins mit der Bleioberfläche – einem Material, das bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt supraleitende Eigenschaften besitzt, also elektrischen Strom ohne Widerstand leitet. Diese Wechselwirkungen sorgen dafür, dass die Moleküle je nach Anordnung unterschiedliche Eigenschaften haben.

Als freie Moleküle in der Gasphase besitzen die untersuchten Moleküle weder Ladung noch Spin. Auf der Bleioberfläche findet jedoch ein Ladungstransfer vom Substrat zum Molekül statt. Einige Moleküle nehmen ein ungepaartes Elektron auf und zeigen magnetische Eigenschaften (Zustand I), während andere auch auf der Bleioberfläche neutral und nichtmagnetisch bleiben (Zustand 0).

Gezielte Veränderungen möglich
«Ganz vereinfacht gesagt, kann jedes Molekül genau ein Elektron „aufnehmen“ – einschliesslich seines Spins», erklärt Dr. Rémy Pawlak aus dem Meyer-Team, der eine Schlüsselrolle in der Studie gespielt hat. «Mithilfe des Rastertunnelmikroskops können wir nun den Spin dieser Elektronen gezielt umkehren und den Ladungszustand selektiv steuern – ähnlich wie beim Umschalten eines Schalters zwischen zwei Zuständen: magnetisch für geladene Moleküle (Zustand I) und nichtmagnetisch für neutrale Moleküle (Zustand 0).»

Kommen mehrere Moleküle zusammen, kommt zu den Wechselwirkungen mit der Oberfläche auch noch die gegenseitige Beeinflussung der Spins dazu. Es entstehen komplexe Quantenzustände und je nach Anordnung regelmässige Muster von Ladung und Spin. Bei bestimmten Anordnungen der Moleküle lässt sich der Zustand ähnlich wie bei den isolierten Molekülen umschalten – so kann beispielweise eine Kette aus vier Molekülen durch den Einsatz der STM-Spitze zwischen zwei stabilen Zuständen hin- und hergeschaltet werden (zwischen Zuständen I und 0) – ohne das System zu zerstören.

«Die Fähigkeit, einzelne Radikalmoleküle auf Supraleitern zu manipulieren und ihre Quantenzustände zu schalten, ist ein Meilenstein für die Entwicklung von molekularer Spintronik und Quantenbauelementen», fasst Ernst Meyer zusammen. «Die Auszeichnung ist eine tolle Motivation für uns, den eingeschlagenen Ansatz weiter fortzuführen.»

Teamarbeit wird honoriert
Die mit dem ACS Nano Impact Award ausgezeichnete Publikation ist das Ergebnis einer langjährigen Zusammenarbeit der Gruppen von Prof. Dr. Ernst Meyer (Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute, Universität Basel), Prof. Shi-Xia Liu and Prof. Silvio Decurtins (beide Departement für Chemie, Biochemie und Pharmazie, Universität Bern). Dr. Rémy Pawlak aus dem Meyer-Team wird den Preis im Rahmen des ACS Nanoscience Forum Ende Juli 2026 in Seoul (Südkorea) entgegennehmen und dort auch über die Arbeit berichten.