Moleculaire nanodraden supergevoelig voor magneetvelden

Model van de structuur van zeoliet met DXP-moleculen (bovenaanzicht).

TU/e’ers Sander Kersten, Peter Bobbert en Stefan Meskers meldden vorig jaar al dat het mogelijk zou moeten zijn om bij kamertemperatuur de elektrische weerstand van een bepaald soort polymeer nanodraden dramatisch te verhogen, middels een zwak magneetveld. Dit deden ze in een publicatie in ‘Physical Review B – Condensed Matter and Materials Physics’ (DOI 10.1103/PhysRevB.86.045210). Collega-onderzoekers van de Universiteit Twente hebben het nu voor elkaar gekregen om de elektrische geleiding vrijwel geheel plat te leggen. Ofwel: de weerstand van de nanodraden wordt onder invloed van een zwak magnetisch veld enkele duizenden procenten hoger. TU/e-onderzoeker Peter Bobbert en voormalig TU/e-promovendus Sander Kersten zorgden voor de theoretische verklaring en modellering bij de publicatie die afgelopen week verscheen in Science.

De onderzoekers creëerden voor het eerst perfecte één-dimensionale moleculaire draden, waarvan je de elektrische geleiding bij kamertemperatuur bijna volledig kunt onderdrukken met slechts een heel zwak magneetveld. Het onderliggende mechanisme is mogelijk nauw verwant aan het biologisch kompas dat sommige trekvogels gebruiken om zich te oriënteren op het aardmagnetisch veld.

De wetenschappers gebruikten voor hun experimenten het organische molecuul DXP, een rode kleurstof van dezelfde soort die Ferrari ooit gebruikte voor hun befaamde Testarossa. Om deze moleculen te rijgen tot één-dimensionale ketens van tussen de 30 en 100 nanometer lengte (1 nanometer is 1 miljardste meter), pasten ze een truc toe: ze sloten de moleculen op in zeolietkristallen. Zeolieten zijn poreuze mineralen opgebouwd uit silicium-, aluminium- en zuurstofatomen, waarin zich smalle kanalen bevinden, net zoals liftschachten in een flatgebouw. De diameter van de kanalen in de gebruikte zeolieten was slechts 1 nanometer groot, slechts een beetje wijder dan de diameter van de moleculen. Hierdoor was het mogelijk om binnenin een zeolietkanaal ketens te maken van uitgelijnde moleculen van slechts één molecuul dik.

Moleculaire stroomdraadjes
De zeolietkristallen met daarin de moleculaire draden werden vervolgens op een elektrisch geleidend substraat geplaatst. Door een uiterst scherpe, geleidende naald van een atoomkrachtmicroscoop (AFM) op de bovenkant van een zeolietkristal te plaatsen, konden de onderzoekers elektrische geleiding door de molecuulketens meten. Prof. dr. ir. Wilfred van der Wiel (Universiteit Twente), die het experiment bedacht en leidde, stelt dat het meten van stroom door deze moleculaire stroomdraadjes al een uniek resultaat is. “Maar het gedrag van deze draadjes is ronduit spectaculair wanneer je een magneetveld aanlegt,” voegt hij eraan toe. De elektrische geleiding stort namelijk bijna volledig in bij een magneetveld van slechts enkele millitesla’s, een veld dat je met gemak met een koelkastmagneet kunt opwekken. Van der Wiel: “Het feit dat het effect zo dramatisch is en al optreedt bij zulke kleine magneetvelden en gewoon bij kamertemperatuur maakt dit resultaat erg bijzonder.”

Eénbaansweg
De verandering van de elektrische weerstand door middel van een magneetveld wordt magnetoweertand genoemd en is technologisch zeer belangrijk. Het wordt bijvoorbeeld veel gebruikt in harddisk leeskoppen. Normaal gesproken zijn voor het verkrijgen van een magnetoweerstandseffect magnetische materialen onontbeerlijk. Aan het zeer grote magnetoweerstandseffect dat nu gemeten is, komt echter geen magnetisch materiaal te pas. De onderzoekers schrijven het effect toe aan de interactie tussen de elektronen die de stroom dragen en het magneetveld dat wordt opgewekt door de omringende atoomkernen in de organische moleculen. Uiteindelijk is de stroomonderdrukking bij een klein magneetveld terug te voeren tot het beroemde Pauliverbod, een kwantummechanisch principe dat stelt dat twee elektronen (fermionen) niet dezelfde kwantumtoestand mogen bezetten. Omdat de stroomdraadjes in feite één-dimensionaal zijn, is het effect van het Pauliverbod dramatisch; net zoals een ongeluk op een éénbaansweg het hele verkeer kan lamleggen. Deze interpretatie wordt ondersteund door berekeningen.

Trekvogels
Het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de extreem hoge magnetoweerstand in de moleculaire draden is mogelijk nauw verwant aan het biologisch kompas dat sommige trekvogels gebruiken om zich te oriënteren op het aardmagnetisch veld

Onderzoek
Het onderzoek is uitgevoerd door wetenschappers van UT-onderzoeksinstituut MESA+, in samenwerking met onderzoekers van de TU/e en de Universiteit van Straatsburg. Op 4 juli publiceerde het toonaangevende wetenschappelijke vakblad Science het artikel ‘Ultra-High Magnetoresistance at Room Temperature in Molecular Wires’ waarin de onderzoeksresultaten worden beschreven (DOI:10.1126/science.1237242).

Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt door financiering van FOM, de Technologiestichting STW en de Europese Unie.