Ab-initio Modellierung supramolekularer Spin-Ventile: vom Operationsprinzip zur effektiven Kontrolle

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Wenzel, seit 5/2022
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404084478

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die molekulare Elektronik sowohl in der experimentellen Technik als auch in der Theorie rasch entwickelt. Moderne experimentelle Techniken ermöglichen die Herstellung und Charakterisierung von Einzelmolekül-Bauelementen. Die jüngsten Untersuchungen konzentrierten sich auch auf die Manipulation des Spins, als einen intrinsischen Freiheitsgrad eines Elektrons, zusätzlich zu den "äußeren" (räumlichen) Freiheitsgraden. Über den Ladungstransport hinaus untersuchen wir in diesem Projekt eine spezifische Realisierung der molekularen Spintronik, bei der einzelne molekulare Magnete (SMMs), die in das Bauelement integriert sind, lokalisierte magnetische Momente bereitstellen die mit dem Strom wechselwirken. Gegenwärtig gibt es kein quantitatives Modell, um diese Effekte zu beschreiben. In diesem Projekt werden wir theoretische Grundlagen aufstellen, um den Mechanismus zu erläutern und die Leistung von supramolekularen spintronischen Bauelementen zu verbessern, die auf einer Kohlenstoff-Nanoröhre (CNT) basieren, auf der mehrere Einzelmolekül-Magnete (SMMs) platziert sind. In Experimenten wurde ein gigantischer magnetischer Widerstand von 300% in ersten Realisierungen von CNT, auf denen sich ein einzelner SMM befindet, beobachtet. Diese Bauelemente realisieren daher ein Spin-Ventil. Anders als bei bekannten Spin-Ventile, die ferromagnetische Elektroden erfordern, wird die Rolle des Spin-Polarisators und des Spin-Analysators in den hier untersuchten supramolekularen Spin-Ventilen von SMM, während der Rest des Ventils aus nichtmagnetischen Materialien (CNT und Non -magnetische Metallelektroden) besteht. Dieses Setup macht SMM-CNT-Spinventile zu einem geeigneten Kandidaten für verschiedene praktische Anwendungen, u.a. Quantencomputer. In diesem Projekt kombinieren wir Verfahren zur Berechnung der elektronischen Struktur (zB Dichtefunktionaltheorie (DFT) oder darüber hinaus) mit dem Nichtgleichgewichts-Greensfunktions- Formalismus (NEGF), um zu erforschen, wie der Elektronenstrom durch die Nanoröhre von der relativen Orientierung der SMM beeinflusst wird. Dies erfordert eine numerisch effektiziente und spezialisierte Kombination von DFT und NEGF und die Entwicklung fortschrittlicher Berechnungsmethoden, die in bestehende Programmpakete integriert werden. In Zusammenarbeit mit der experimentellen Gruppe von Prof. Wernsdörfer am KIT werden wir Möglichkeiten zur Kontrolle der SMM-Orientierung untersuchen. Dabei untersuchen wir insbesondere (1) die Auswirkung der Nichtkollinearität der SMM-Spins und (2) mögliche Vorteile der Verwendung von Nanokohlenstoff-Materialien außer Kohlenstoff-Nanoröhren als Spin-Ventil-Kanal.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Artem Fediai, bis 5/2022