Forschende der Universität Basel haben in Nature Communications veröffentlicht, wie Elektronen in einem Cluster von Molekülen miteinander wechselwirken und sich kontrollieren lassen. Ihre Ergebnisse eröffnen neue Wege für die Entwicklung von Quantenbauelementen und elektronischen Schaltkreisen im Nanometermassstab. 

Elektronische Bauelemente werden immer kleiner – so klein, dass Quantenphänomene wie die Überlagerung von Zuständen eine zentrale Rolle spielen. Das Verständnis dieser Phänomene ist entscheidend für die Weiterentwicklung molekularer Bauelemente und winziger Schaltkreise auf der Nanometerskala.

Es ist bestens bekannt, wie sich gepaarte Elektronen innerhalb eines Moleküls verhalten. Für Radikale – Moleküle mit einem ungepaarten Elektron in ihrer äusseren Elektronenhülle – gab es bisher allerdings keine theoretischen Modelle, welche die Wechselwirkung zwischen Molekülen oder die damit verbundene Ladungsverteilung in kleinen Molekülclustern beschreiben.

Elektronen beeinflussen sich gegenseitig
Ein Team um Professor Dr. Ernst Meyer vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel hat nun experimentell und theoretisch die Dynamik von Elektronen in Clustern aus dem speziell synthetisierten Molekül Tetrabrom-Tetraazapyren (TBTAP) untersucht.

Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops (STM) ordneten sie Dreier- und Sechsergruppen der Moleküle an. Nach dem Anlegen verschiedener Spannungen ermittelten sie Ladung und Stromfluss an unterschiedlichen Positionen des Clusters. 

«Wir haben dabei festgestellt, dass die ungepaarten Elektronen der benachbarten Moleküle nicht unabhängig voneinander sind, sondern sich gegenseitig beeinflussen», erklärt Dr. Chao Li, Erstautor der Publikation aus dem Meyer-Team. Die STM-Bilder zeigten ringförmige, blumenähnliche Muster der Ladungsverteilung. 

Laut quantenmechanischer Gesetze bevorzugt die Natur einen gemischten Zustand mit gleichmässiger Besetzung aller Moleküle. Allerdings ist die Abstossung der Ladung in den Clustern so gross, dass ein bis zwei Elektronen ins Substrat abgegeben werden. 

In den Clustern existiert dann jedoch keine feste Ladungsverteilung. In einem Dreiercluster mit zwei Elektronen treten stattdessen gleichzeitig mehrere Kombinationen als Überlagerung auf (z. B. 011, 101, 110). In manchen Fällen beobachteten die Forschenden auch nur eine Ladung – ebenfalls gleichzeitig an mehreren Molekülen (001, 010, 100) – abhängig vom Ort der Messung und der angelegten Spannung. Das Verhalten bei sechs Molekülen unterscheidet sich etwas. Die inneren drei Moleküle sind neutral, wohingegen die äusseren drei geladen sind. 

«Die Ladungen sind nicht mehr auf einzelnen Molekülen lokalisiert, sondern gleichzeitig an mehreren Orten – ähnlich wie Schrödingers Katze gleichzeitig tot und lebendig ist“, fasst Dr. Rémy Pawlak aus dem Meyer-Team zusammen, der die Arbeit betreut hat. 

Ein weiteres Phänomen überraschte die Forschenden: Bei bestimmten Spannungen und Positionen trat eine sogenannte negative differentielle Leitfähigkeit auf – der Ladungsfluss sank, obwohl die Spannung erhöht wurde. Solche Effekte, die in der Makrowelt kaum vorstellbar sind, könnten künftig gezielt genutzt werden – beispielsweise in Handys oder Quantencomputern, wenn spannungsgesteuerte Oszillatoren benötigt werden. 

Quantitatives theoretisches Modell
In der Veröffentlichung in dem Wissenschaftsjournal Nature Communications beschreiben die Forschenden zudem, dass sie ihre experimentellen Messungen mithilfe eines kombinierten theoretischen Modells auch simulieren und quantitativ erklären können. Sie sind damit in der Lage Voraussagen über das Verhalten und die Dynamik der Ladungen in ähnlichen Clustern zu machen. Derart präzise Modelle sind erforderlich, um die Eigenschaften von Molekülclustern gezielt zu steuern – und damit auf dem Gebiet der nanoskopischen Bauteile weiter voran zu schreiten. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass Kollektiveigenschaften, sogenannte Multi-Elektronen-Zustände, von entscheidender Bedeutung sind. 

«Mit diesen Arbeiten zeigen wir, dass wir die komplexen Wechselwirkungen in geladenen Molekülclustern nicht nur verstehen, sondern auch gezielt nutzen könnten. Das ist ein wichtiger Schritt hin zu einer neuen Generation elektronischer Bauelemente auf Molekülebene», fasst Ernst Meyer die Ergebnisse zusammen.  

Die Arbeiten wurden in einer Zusammenarbeit von Forschenden aus Basel, Bern, Nanjing (China) und Prag (Tschechien) durchgeführt.