Forschende der Empa haben in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung organische Porphyrin-Moleküle mit funktionellen Metallzentren an ein Graphen-Nanoband gebunden. Dieses Hybridsystem, das mit atomarer Präzision hergestellt wurde, ist magnetisch und elektronisch gekoppelt und eröffnet vielfältige Anwendungen in der molekularen Elektronik, von chemischen Sensoren bis hin zu Quantentechnologien.
Porphyrine, organische Moleküle mit einem Ring, der Metall-Ionen wie Eisen, Kobalt oder Magnesium binden kann, spielen in der Natur eine Schlüsselrolle, etwa in Hämoglobin oder Chlorophyll. Ihre Eigenschaften variieren je nach Metallzentrum, was sie für die molekulare Elektronik interessant macht. Die Herausforderung bestand darin, diese Moleküle präzise mit anderen Komponenten zu verbinden. Die Forschenden dockten Porphyrine in regelmäßigen Abständen an ein ein Nanometer breites Graphen-Nanoband mit Zickzack-Rändern an, das als molekularer Leiter dient. Dieses Graphenband weist selbst Magnetismus auf, während die Metallzentren der Porphyrine eine andere Form von Magnetismus besitzen. Durch die Kopplung entsteht ein System, das beide Magnetismusarten vereint.
Das Graphenband fungiert als nanoskaliges Kabel, das die Porphyrine elektrisch und magnetisch verbindet. Diese Struktur könnte in Quantentechnologien als vernetzte Qubits dienen, bei denen der magnetische Spin als Informationsträger genutzt wird. Zudem sind Porphyrine optisch aktiv und können Licht emittieren, dessen Wellenlänge vom magnetischen Zustand des Systems abhängt. Umgekehrt kann Licht die Leitfähigkeit und den Magnetismus des Graphenbands beeinflussen. Durch Funktionalisierung der Porphyrine könnten solche Systeme auch als chemische Sensoren dienen, da die Bindung an Zielsubstanzen die Leitfähigkeit verändert.
Die Herstellung erfolgte durch Synthese komplexer Ausgangsmoleküle, die im Ultrahochvakuum bei mehreren Hundert Grad Celsius auf einer Goldoberfläche zu langen Ketten verarbeitet wurden. Die Forschenden planen, verschiedene Metallzentren und breitere Graphenbänder zu testen, um die Eigenschaften des Systems weiter zu optimieren. Mit Unterstützung der Werner Siemens-Stiftung arbeiten sie daran, diese Designer-Materialien für zukünftige Quantentechnologien nutzbar zu machen.
Originalpublikation
F Xiang, Y Gu, A Kinikar, N Bassi, A Ortega-Guerrero, Z Qiu, O Gröning, P Ruffieux, CA Pignedoli, K Müllen, R Fasel: Zigzag graphene nanoribbons with periodic porphyrin edge extensions; Nature Chemistry (2025); doi: 10.1038/s41557-025-01887-9
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