Nanomagneten schakelen met behulp van infraroodlasers

Wanneer moleculen worden bestraald met infrarood licht, gaan ze trillen door de energietoevoer. Voor Andreas Hauser van het Instituut voor Experimentele Fysica van de Technische Universiteit van Graz (TU Graz) was dit bekende fenomeen het startpunt om na te denken of deze oscillaties ook gebruikt konden worden om magnetische velden op te wekken.

Dit komt omdat atoomkernen positief geladen zijn en wanneer een geladen deeltje beweegt, ontstaat er een magnetisch veld. Met behulp van het voorbeeld van metaalftalocyanines – ringvormige, vlakke kleurstofmoleculen – hebben Hauser en zijn team nu berekend dat deze moleculen, vanwege hun hoge symmetrie, feitelijk kleine magnetische velden in het nanometerbereik genereren wanneer infraroodpulsen erop inwerken.

Volgens de berekeningen zou het mogelijk moeten zijn om de vrij lage, maar zeer nauwkeurig gelokaliseerde veldsterkte te meten met behulp van kernspinresonantiespectroscopie. De onderzoekers hebben hun resultaten gepubliceerd in het Tijdschrift van de American Chemical Society.

Cirkeldans van de moleculen

Voor de berekeningen maakte het team gebruik van voorbereidend werk uit de begindagen van de laserspectroscopie, waarvan een deel decennia oud was, en gebruikte het moderne elektronenstructuurtheorie op supercomputers van het Vienna Scientific Cluster en de TU Graz om te berekenen hoe ftalocyaninemoleculen zich gedragen wanneer ze worden bestraald met laserspectroscopie. circulair gepolariseerd infrarood licht. Wat er gebeurde was dat de circulair gepolariseerde, dat wil zeggen spiraalvormig gedraaide, lichtgolven tegelijkertijd twee moleculaire trillingen opwekken die loodrecht op elkaar staan.

‘Zoals elk rumba-danspaar weet, creëert de juiste combinatie van voorwaarts-achterwaarts en links-rechts een kleine, gesloten lus. En deze cirkelvormige beweging van elke aangetaste atoomkern creëert feitelijk een magnetisch veld, maar alleen zeer lokaal, met afmetingen in de bereik van enkele nanometers”, zegt Hauser.

Moleculen als circuits in kwantumcomputers

Door selectief het infraroodlicht te manipuleren, is het zelfs mogelijk om de sterkte en richting van het magnetische veld te controleren, legt Hauser uit. Hierdoor zouden de moleculen uiterst nauwkeurige optische schakelaars worden, die wellicht ook gebruikt zouden kunnen worden om circuits voor een kwantumcomputer te bouwen.

Samen met collega’s van het Institute of Solid State Physics van de TU Graz en een team van de Universiteit van Graz wil Hauser nu experimenteel bewijzen dat moleculaire magnetische velden op een gecontroleerde manier kunnen worden gegenereerd.

“Voor bewijs, maar ook voor toekomstige toepassingen, moet het ftalocyaninemolecuul op een oppervlak worden geplaatst. Dit verandert echter de fysieke omstandigheden, die op hun beurt de door licht geïnduceerde excitatie en de kenmerken van het magnetische veld beïnvloeden”, legt Hauser uit.

“We willen daarom een ​​ondersteuningsmateriaal vinden dat minimale impact heeft op het gewenste mechanisme.” In een volgende stap willen de natuurkundige en zijn collega’s de interacties tussen de afgezette ftalocyanines, het dragermateriaal en het infraroodlicht berekenen voordat ze de meest veelbelovende varianten in experimenten op de proef stellen.