Spinzustände in Mangan-Ionen mit Licht schalten

(openPR) Durchbruch in der Spintronik: Neues molekulares Material auf Manganbasis ermöglicht Datenspeicherung bei höheren Temperaturen

Forschende der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben mit einem neuen Material auf Manganbasis eine neue Möglichkeit entwickelt, Moleküle als winzige Datenspeicher zu nutzen. Bislang war dies nur mit molekularen eisenhaltigen Materialien möglich, die sehr niedrige Temperaturen, von 100 bis maximal 130 Kelvin (zirka minus 173 bis minus 143 Grad Celsius), benötigen – was die Anwendung deutlich erschwert. „Mit unserem neuartigen Material, das auf Mangan basiert, ist es uns schon im ersten Versuch gelungen, die Betriebstemperatur für die potenziellen Speicher auf rund minus 132 Grad zu steigern“, sagt Prof. Dr. Katja Heinze vom Department Chemie der JGU. „Damit übertrifft das Material alle bisher bekannten eisenhaltigen molekularen Materialien für diese Anwendungen und markiert einen Durchbruch in der Spintronik.“ Die Ergebnisse sind heute von einer Forschungsgruppe um Heinze im renommierten Fachmagazin Nature Chemistry veröffentlicht worden.

Temperatursprung von elf Kelvin

Auf dem Weg zu immer effizienteren Datenspeichern sind Atome, genauer gesagt Ionen, eine interessante Option: Dabei wurden bislang bestimmte Elektronenspins – also die magnetischen Momente der Elektronen, die sich wie Stabmagnete verhalten – einzelner Eisen-Ionen entweder parallel oder antiparallel ausgerichtet, was einer „1“ oder einer „0“ entspricht. Man spricht dabei von Hochspin- oder Niedrigspin-Zuständen. Das Manko: Potenzielle Speicher aus diesen Materialien brauchen sehr niedrige Temperaturen von üblicherweise maximal 100 Kelvin (rund minus 173 Grad Celsius), ein Team von Forschenden berichtete zuvor von erreichten Temperaturen von 130 Kelvin (rund minus 143 Grad Celsius). Damit scheint die maximale Betriebstemperatur der „Eisenatom-Speicher“ seit Jahren ausgereizt. Die notwendige niedrige Temperatur erschwert den Betrieb: Die Speicher müssten gekühlt werden, was mit einem hohen Energiebedarf einhergeht.

Der neue Ansatz, den die Forschenden der JGU entwickelt haben, erlaubt nun einen deutlichen Temperatursprung. „Unsere Studie zeigt, dass Mangan das Gleiche leisten kann wie Eisen. Und unser neues molekulares Material macht es sogar noch besser“, sagt Sandra Kronenberger, die das neue Material als Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Heinze, gefördert durch das Max-Planck-Graduate-Center mit der JGU, synthetisiert hat. „Natürlich arbeitet das System immer noch weit unterhalb der Raumtemperatur, aber die Neuentwicklung markiert einen bedeutenden Schritt nach vorne“, sagt Dr. Luca Carrella vom Department Chemie der JGU, der das magnetische Verhalten des neuen Materials gemessen hat. Nach seiner Einschätzung sind noch höhere Temperaturen in der Spintronik in Aussicht.

Mangan kombiniert mit Carbenliganden

Gelungen ist der aktuelle Temperatursprung durch die Verwendung von Mangan, kombiniert mit Liganden aus N-heterozyklischen Carbenen, die fest an das Mangan binden. Diese starke Bindung stabilisiert den Niedrigspin-Zustand und erzeugt zugleich eine große Barriere zwischen den beiden Spin-Zuständen. Weniger physikochemisch ausgedrückt: Die beiden Spin-Zustände, die als Informationsspeicher dienen können, werden stabiler und halten höheren Temperaturen stand. Das „Beschreiben“ der Speicher funktioniert dabei auf ähnliche Weise wie zuvor bei den Eisen-Ionen beschrieben: Bestrahlt man die Mangan-Ionen mit Licht, ändern bestimmte Elektronen darin ihren Spinzustand und die Farbe des Materials wandelt sich von dunkelrot im Niedrigspin-Zustand zu hellgelb im Hochspin-Zustand. „Sowohl die Farbe als auch die magnetischen Eigenschaften des geschalteten Materials bleiben über einen nutzbaren Zeitraum bestehen – auch nach dem Ausschalten des Lichts. Daher kann dieses Konzept den Weg für zukünftige digitale Speichertechnologien ebnen“, sagt Heinze.

wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Katja Heinze
Inorganic Chemistry – Sustainable Coordination Chemistry and Photochemistry
Department Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel.: 06131 39-25886
E-Mail:
www.ak-heinze.chemie.uni-mainz.de

Originalpublikation:
S. Kronenberger et al., Covalency control of photomagnetic relaxation in a manganese(II) photoswitch, Nature Chemistry, 29. Juni 2026,
DOI: 10.1038/s41557-026-02193-8
https://www.nature.com/articles/s41557-026-02193-8