Mittels Nanotechnik

Deutsche Physiker bauen kleinsten Schalter der Welt

(Bild: TU München/Knud Seufert)

(Bild: TU München)

Physiker an der Technischen Universität München haben das Miniaturisieren in der Elektronik auf die Spitze getrieben: Sie haben einen molekularen Schalter entwickelt, der eine Gesamtfläche von nur einem Quadratnanometer hat. Es handelt sich somit um die kleinste bislang realisierte Schalteinheit der Welt.

Der Schalter besteht aus einem einzigen Proton in einem Porphyrinring, der einen Innendurchmesser von weniger als einen halben Nanometer (ein Millionstel Millimeter; Anm.) hat. Ein winziger Impuls, der durch ein Rastertunnelmikroskop auf den Schalter einwirkt, stimuliert die Bewegung des Protons und stellt so eine bestimmte Schalterposition ein, schreiben die Forscher um Willi Auwärter im Fachblatt"Nature Nanotechnology".

Porphyrine sind ringförmige Moleküle, die sehr flexibel ihre Struktur ändern können und sich deshalb für vielfältige Anwendungen eignen. Das Tetraphenylporphyrin ist keine Ausnahme: Es nimmt gerne eine Sattelform an und wird bei der Verankerung auf metallischen Oberflächen nicht in seiner Funktionalität eingeschränkt. Im Inneren des Moleküls befindet sich ein Paar von Wasserstoffatomen, die ihre Position zwischen zwei Konfigurationen wechseln können. Dieser Prozess findet bei Raumtemperatur unentwegt und rasend schnell statt.

Vier Schalterpositionen
Für ihr Experiment unterdrückten die Wissenschaftler diese spontane Bewegung, indem sie die Probe kühlten. So konnten sie den gesamten Vorgang im Einzelmolekül mit dem Rastertunnelmikroskop induzieren und beobachten. Dieses Mikroskop ist dafür besonders geeignet, weil es – im Gegensatz zu anderen Methoden – nicht nur Anfangs- und Endzustand festhalten kann; sondern es erlaubt den Physikern, die Wasserstoffatome direkt anzusteuern. In einem weiteren Schritt entfernten sie nun gezielt eines der beiden Protonen im Inneren des Porphyrinrings.

Das Verbleibende kann daraufhin vier unterschiedliche Schalterpositionen (Bild 2) besetzen. Ein winziger Strom, der durch die feine Spitze des Mikroskops fließt, stimuliert den Protonentransfer und stellt so eine bestimmte Konfiguration ein. Die jeweiligen Positionen des Wasserstoffatoms beeinträchtigen zwar weder die grundsätzliche Struktur des Moleküls noch die Bindung an die metallische Oberfläche, dennoch sind die Zustände nicht völlig identisch. Dieser kleine, aber feine Unterschied und die Tatsache, dass der Vorgang beliebig wiederholbar ist, definieren einen Schalter, der sich mit bis zu etwa 500 Einstellungen pro Sekunde steuern lässt.