Unsere linke und rechte Hand sehen ähnlich aus – und doch sind sie nicht deckungsgleich. In der Natur bezeichnet man solche spiegelbildlichen, aber nicht identischen Formen als chiral. In lebenden Organismen ist erstaunlicherweise Homochiralität anzutreffen, also nur eine von den beiden möglichen Händigkeiten. Ein prominentes Beispiel ist die DNA-Doppelhelix, die nur in rechtsdrehender Chiralität auftritt. In der Physik spricht man von chiralen Effekten, wenn Experimente mit spiegelbildlichem Aufbau zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Genau diese Eigenschaft steht im Zentrum eines Forschungsfeldes, das in der Festkörperphysik seit geraumer Zeit intensiv diskutiert wird: die sogenannte Chiralität-induzierte Spin-Selektion, kurz CISS. Worum geht es in dieser Debatte?
Elektronen tragen nicht nur elektrische Ladung, sondern auch eine besondere quantenphysikalische Eigenschaft in sich, den sogenannten Spin, eine Art inneren Drehimpuls, der sich etwa durch sein magnetisches Moment bemerkbar machen kann. Der Spin lässt sich technologisch nutzen, um Information zu speichern und zu übertragen. Moderne spintronische Bauelemente verwenden deshalb beide Eigenschaften des Elektrons, nämlich seine Ladung – Strom an oder aus – und seinen Spin – nach oben oder unten weisend.
Um den Spin auszunutzen, muss er zuvor generiert werden, d.h. Elektronen mit der bevorzugten Spinrichtung müssen aussortiert werden. Eine derzeit intensiv erforschte Möglichkeit, einen Strom von Elektronen zu polarisieren, ihnen also eine gewünschte Spinrichtung zu erteilen, nutzt chirale Moleküle, deren linker oder rechter Drehsinn zusammen mit der Stromrichtung den Spin der Elektronen festlegt. Ursprünglich wurde die Chiralität-induzierte Spin-Selektion beim Fotoeffekt an chiralen Molekülen beobachtet. Die Helixstruktur, das heißt das spiralförmige Molekülegerüst, lag mit zwei Händigkeiten vor, also mit einer im Uhrzeigersinn und einer gegen den Uhrzeigersinn orientierten Windung. Der Spin der fotoemittierten Elektronen hing davon ab, welche der beiden zueinander spiegelbildlichen Varianten der Moleküle die Elektronen auf ihrem Weg ins Vakuum durchlaufen hatten.
Als Wissenschaftler in der Festkörperphysik ist man geneigt, diesen Effekt für miniaturisierte Stromkreise nützlich zu machen”, erklärt Prof. Jörg Kröger, Leiter des Fachgebiets Experimentalphysik I an der TU Ilmenau. Denn das beachtliche Potential des aktuellen Forschungsfeldes der Spintronik liegt in der schnellen und energieeffizienten Arbeitsweise dieser miniaturisierten Schaltkreise.
Doch bisher ließ sich CISS beim elektrischen Transport durch einzelne Moleküle nicht eindeutig nachweisen, wie Jörg Kröger erklärt:
Genau hier setzte die wissenschaftliche Debatte an, denn experimentelle Daten aus molekularen Stromkreisen haben bislang keine eindeutige Evidenz für CISS gezeigt. Störend waren bei diesen Versuchen, dass äußere Magnetfelder angewendet und hohe Spannungen angelegt werden mussten, denn beides kann zu Resultaten führen, die CISS lediglich vortäuschen.
Die zentrale Herausforderung von Wissenschaftlern weltweit bestand deshalb darin, ein Experiment zu entwickeln, das ohne solche störenden Einflüsse auskommt.
Genau das ist Lorenz Meyer, Doktorand im Fachgebiet Experimentalphysik 1, mit einer besonders eleganten Methode jetzt gelungen: Er nutzte das faszinierende Wechselspiel zwischen Magnetismus und Supraleitung, um eine Sonde mit besonderen Eigenschaften herzustellen. Die supraleitende Bleispitze eines Rastertunnelmikroskops wurde mit einem Nanomagneten aus wenigen Manganatomen dekoriert, so dass elektronische Zustände mit extrem niedriger Energie und Spinpolarisation entstehen. Sie enthalten also lediglich Elektronen von einer Spinsorte, das heißt entweder nach oben oder nach unten orientierte Spins.
“Diese Zustände schlagen gleich zwei Fliegen mit einer Klappe”, so Lorenz Meyer:
Erstens braucht es kein äußeres Magnetfeld zum Wechsel der Spinsorten, da beide Spinrichtungen bereits vorliegen, und zweitens sind die Zustände aufgrund ihrer geringen Energie durch niedrige elektrische Spannungen an der Tunnelbarriere zwischen Spitze und Probe erreichbar.
Auf der anderen Seite der Tunnelbarriere befanden sich im Experiment Heptahelicen-Moleküle auf einem supraleitenden Bleisubstrat. Der Clou dabei, so Lorenz Meyer:
Das berühmte Pasteur-Experiment wurde durch Selbstorganisation der Moleküle auf der Oberfläche durchgeführt: das Racemat aus linkshändigen (Λ) und rechtshändigen (Δ) Molekülen wurde automatisch entmischt, so dass Domänen aus Λ-Molekülen und aus Δ-Molekülen vorgefunden wurden.
