Monteer een magnetisch nikkelcomplex op een zilveroppervlak en eenzelfde complex op de punt van een scanning probe-microscoop en je kunt plaatjes maken van hun spininteracties. Dat schrijven Gregory Czap, Wilson Ho en collega’s in Science.

Onderzoek naar dit soort single-atom- of single-molecule-magneten, zoals het nikkelcomplex, is niet nieuw. Deze nanomagneetjes kun je gebruiken als de kleinst mogelijke geheugenopslagelementen of als kwantumbits (ook wel qubits genoemd) voor de basiseenheden van een kwantumcomputer. In 2017 lieten onderzoekers al zien dat ze informatie konden schrijven naar en aflezen van gemagnetiseerde holmiumatomen met behulp van scanning tunneling-microscopie (STM).

Maar de onderzoekers uit de VS kunnen nu de magnetische structuren en interacties niet alleen op de atoomschaal meten. Door een enkel molecuul van het magnetische nikkelcomplex met twee cyclopentadienylgroepen (NiCp₂) op de punt van een STM-probe te zetten, konden ze de spin-spininteracties karakteriseren en in beeld brengen van eenzelfde molecuul op een zilveroppervlak. “In het verleden maakten onderzoekers de magnetic scanning probes door middel van trial-and-error of arbeidsintensieve methodes zonder al te veel controle’, vertelt hoogleraar Wilson Ho aan de University of California, Irvine. ‘Wij laten zien dat het mogelijk is om een enkel molecuul als magnetometer te gebruiken, die je ook nog in drie dimensies met sub-Ångström precisie kan positioneren.’

Volgens Ho lieten recente publicaties zien dat NiCp₂-complexen in de gasfase hun magnetische eigenschappen behouden wanneer ze in contact staan met metaaloppervlakken. ‘Meestal zie je dat magnetische atomen of moleculen hun elektronen delen en zo een deel of zelfs hun gehele magnetisme verliezen’, legt Ho uit. ‘Maar bij NiCp₂ gebeurt dat niet en dat maakte ons zo geïnteresseerd in dit molecuul.’

Ook al is dit vooral fysisch werk, toch zijn er wel chemische implicaties. ‘De mogelijkheid om de chemische en mechanische eigenschappen van dit soort sensors aan te passen is handig voor het verzinnen van nieuwe experimenten die kijken naar de connectie tussen functionele groepen en hun interactie met de directe omgeving.’ Ho voegt daaraan toe dat kennis over spintoestanden en molecuulinteracties leiden tot fundamentele kennis over chemische interacties, moleculaire herkenning en detectie.

Ho en collega’s zijn van plan om meer van dit soort magnetische moleculen te onderzoeken. ‘We willen kijken naar verschillende spineigenschappen om zo nieuwe sensorfuncties te ontdekken.’ Magnetische moleculen hebben ook een algemeen nut. ‘Naast spin-spininteracties kun je onder andere kijken naar magnetisch-veldverdelingen van nanostructuren, oppervlaktelagen en 2D-materialen.’

Het team gelooft dat deze publicatie nog wel een staartje krijgt en de kwantumcomputer dichterbij brengt. ‘Inzicht in spininteractie-dynamics en het beïnvloeden van spin-coherence zal essentieel blijken te zijn om individuele magnetische atomen of moleculen toe te passen in de verwerking van kwantuminformatie.’