Magnetismus beschreibt prinzipiell kein einheitliches Phänomen, es gibt verschiedene Formen des Magnetismus, den Ferromagnetismus, Ferrimagnetismus, Paramagnetismus sowie den Antiferromagnetismus. All diese Formen des Magnetismus basieren jedoch auf dem Wechselwirken magnetischer Areale miteinander, und zeichnen sich durch charakteristische Eigenarten aus. Durch das Interagieren dieser, magnetischen Bezirke kann ein intrinsisches Magnetisches Moment erwachsen, wie in ferro- und ferrimagnetischen Körpern zu beobachten ist. Die Wechselwirkung dieser Areale, kann
jedoch durch externe Faktoren beeinflusst werden. Wird beispielsweise ein Ferromagnetischer Körper mit einem Magnetfeld ausreichender Stärke interagieren lassen, so ordnen sich zunächst die ursprünglich vorhandenen Weissschen Bezirke um, es kommt zu dem Verschieben der existierenden Domänengrenzen. Dieser Prozess verläuft bis zu einem Maximum, der Sättigung, bei der der ganze Körper mit Hilfe einer einzigen magnetischen Domäne beschrieben werden kann. Entfernt man das Magnetfeld, verbleibt eine Restmagnetisierung, die sogenannte Remanenz. Diese kann erst durch Anlegen eines analogen Gegenfeldes wieder aufgehoben werden. Die Eigenschaft, in Abhängigkeit von der Vorgeschichte, verschieden starke Ausprägungen eines Effektes aufzuweisen nennt man Hysterese, in diesem speziellen Fall spricht man also von magnetischer Hysterese.
Für einen Chemiker, im Geiste Demokrits, ist es a priori nicht verwunderlich, dass im Jahr 1993 Sessoli et al.1, mit dem Komplex [Mn12(CH3COO)16O12] welcher zuerst 1980 durch Lis5 dargestellt wurde, eine erste exemplarische Verbindung präsentierten, welche bereits auf molekularer Ebene, bei tiefen Temperaturen magnetische Hysterese aufweist.
Die Urverbindung dieser Molekülklasse, welche das Akronym SMM für Einzelmolkülmagnet (Single-molecule magnet = SMM) erhielt, war der Komplex [Mn12(CH3COO)16(H2O)4O12]*2CH3COOH*4H2O kurz Mangan12Acetat. Prinzipiell ist dieser Begriff, da es sich hierbei nicht um ein Gruppenphänomen handelt also nicht korrekt. Dennoch hat sich der Terminus, aufgrund seiner Prägnanz durchgesetzt und wird auch in der Fachliteratur verwendet. Anhand dieser Verbindung, konnte erfolgreich gezeigt werden, dass die Ausrichtung des magnetischen Moments eines Molekülverbands über einen längeren Zeitraum hinweg erhalten bleiben kann, sofern sich dieser unterhalb einer kritischen Temperatur, der sogenannten Blocking-Temperatur, befindet. Unter der kritischen Temperatur relaxiert das ausgerichtete magnetische Moment über einen langen Zeitraum (im Falle von Mangan12Acetat über 2 Monate hinweg1), und gibt so Anlass für das Auftreten von Hysterese. Der Grund für diese Eigenschaften, ist im Aufbau des Moleküls zu suchen. Verfügt das Molekül über ungepaarte Elektronen, und können diese miteinander in Wechselwirkung treten, so kann es durch Kopplung der Spins zu der Ausbildung eines intrinsischen magnetischen Moments innerhalb des Moleküls kommen (Abb. 2).
Abbildung 2: Mn12Acetat und Fe4Methanolat mit Spinzuständen.
Die Summe der einzelnen Magnetischen Momente bildet ein molekulares Spinsystem aus. Unter Umgebungsbedingungen ist der Spin-up zu dem Spin-down-Zustand entartet.
Das resultiert in einer statistischen Besetzung der Moleküle in den verschiedenen Zuständen. Legt man jedoch ein Magnetfeld an, so kann durch den Zeeman-Effekt diese Entartung zu Gunsten des energetisch begünstigten der Spinzustände verschoben, oder gar aufgehoben werden. Kühlt man beispielsweise bei angelegtem Feld das Molekül, unter den Energiebetrag der Barriere ab, so ist eine erhöhte Population des energetisch begünstigten der beiden Zustände zu beobachten. Der Energiebetrag zwischen den beiden Zuständen, die sogenannte Barrierehöhe verhindert ein spontanes Ausgleichen der Population der beiden Zustände untereinander. Der Ausgleich der Populationen kann also nur sehr langsam thermisch, durch Relaxations- oder durch Tunnelprozesse erfolgen.
Abbildung 3: Energiediagram für ein Spin 5 Spinsystem 6.
oben. Erkennbar ist zunächst das thermische Gleichgewicht, beide Zustände sind entartet.
mitte. Durch anlegen eines Magnetfeldes wird der energetisch begünstigte Zustand verstärkt populiert (Zeeman-Effekt).
unten. Nach dem Entfernen des Magnetischen Feldes findet ein langsamer
Populationsausgleich durch Relaxation und durch Tunnelprozesse (horizontaler Pfeil) statt.
Der genaue Prozess des Tunnelns der Magnetisierung ist noch Fokus der aktiven Forschung. Beim Aufnehmen einer Hysteresekurve, kann Tunneln als Stufe beobachtet werden. Bei diskreten Werten des Magnetfeldes, kann eine sprunghafte Veränderung der Magnetisierung beobachtet werden. Diese tritt auf, sobald zwei benachbarte, entartete Energieniveaus auf den gegenüberliegenden Seiten des Potentialtopfes miteinander durch Tunnelprozesse in Verbindung treten. Durch diesen Prozess kann die Populationsdichte stark verändert werden, da Moleküle sprunghaft ihren Spinzustand und somit ihre
Magnetisierung ändern können, wodurch es folglich zu der Veränderung der Magnetisierung kommt.
Momentan sind sowohl die Untersuchung und sowie tieferes Verständnis des Phänomens des Molekularem Magnetismus von hohem wissenschaftlichem Interesse. Sollte dieses Phänomen in seinen Grundlagen verstanden sein, so könnte in Zukunft, durch das Auftreten von molekularem Magnetismus die Rechen- und Speicherleistung von Computern in naher Zukunft signifikant erhöht werden. Dafür müssten Moleküle gezielt in ihren magnetischen Eigenschaften manipuliert werden, was die Hauptaufgabe des ansässigen SFB 767 ist. Die Interaktion könnte beispielsweise mit Hilfe von STM-Spitzen geschehen. Bisher ist es jedoch nicht möglich eine verlässliche Voraussage darüber zu treffen, ob sich eine Verbindung als Einzelmolekülmagnet eignet oder nicht.
Denn die Form der Spininteraktion ist nicht vorherzusehen, es kann Anstelle der anitferromagnetischen zu einer ferromagnetischen Kopplung kommen.
Hochsymmetrische System weisen oft zu niedrige Aufspaltungen des Nullfeldes auf, um als SMM dienen zu können. Und es ist noch nicht möglich gezielt die Blocking Temperatur zu beeinflussen. Einen Annhaltspunkt hierfür bietet, das Erhöhen des Spingrundzustandes. Dafür befinden sich in der Regel ein oder mehrere Metalle der d-Gruppe und oder Lanthanoide innerhalb eines organischen Ligandsystems, wodurch die verschiedenen Metallzentren miteinander interagieren können. Mit dem Erhöhen des Spingrundzustandes, wird jedoch zunehmend nichtmehr nur der Grundzustand besetzt.
Im Fokus der Forschung befinden sich außer den in dieser Arbeit Untersuchten Verbindungen, eine Vielzahl weiterer Systeme mit einer Fülle an zentralen Metallatomen.7-17