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Credit: Two chiral molecules on chiral spin structures in a magnetic thin film (ill./©: Angela Wittmann)
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) verfolgen einen völlig neuen, unkonventionellen Ansatz, um die Verarbeitung und insbesondere die Speicherung von Daten zu verbessern. Dafür erhalten sie jetzt zusammen mit ihren Partnern von der Hebrew University of Jerusalem die Unterstützung der Carl-Zeiss-Stiftung (CZS). Bei der erstmaligen Vergabe von Fördermitteln der CZS Wildcard zählt das interdisziplinäre Forschungsteam zu den insgesamt fünf geförderten Projekten, die sich in einem frühen Entwicklungsstadium befinden und besonders innovativ sind. Die Idee des Teams aus Mainz und Jerusalem sieht vor, zwei Arten von Chiralität zu koppeln und damit neue Datenspeicher zu entwickeln, die schneller, kleiner und effizienter sind.
Chiralität, auch Händigkeit genannt, bezeichnet zwei Varianten, die sich wie ein Bild und sein Spiegelbild verhalten oder wie die rechte und die linke Hand zueinander – sie können nicht zur Deckung gebracht werden. "Wir haben uns von der Natur inspirieren lassen, wo Chiralität häufig vorkommt. Sie kann hier wie ein Filter wirken und Funktionalität auf kleinstem Raum sicherstellen", sagt Prof. Dr. Angela Wittmann vom Institut für Physik der JGU, Sprecherin des Forschungsprojekts HYMMS, kurz für "Hybrid chiral Molecule-Magnetic Systems". Die Gruppe erhält dafür in den kommenden zwei Jahren von der Carl-Zeiss-Stiftung eine Förderung in Höhe von 750.000 Euro.
Kombination der Chiralität von Spinstrukturen und der Chiralität von Molekülen
Die Beteiligten aus der Festkörperphysik, der experimentellen Atomphysik und der molekularen Chemie werden dazu chirale Spinstrukturen, die kürzlich erst entdeckt wurden, nutzen. Diese Skyrmionen haben einen chiralen Wirbeleffekt, weshalb die Magnetisierung relativ robust ist und nicht so schnell gelöscht werden kann. Sie sollen in dem Projekt mit der Chiralität von Molekülen gekoppelt werden. Eine solche Kopplung würde den Erwartungen zufolge ein einzigartiges, flexibles, kontrollierbares und effizientes Mittel für die Manipulation von Spinstrukturen bieten. "Mit einem chiralen Molekül könnte die Spinstruktur in einer magnetischen Dünnschicht zum Beispiel von rechts- auf linksdrehend umgeschaltet werden", so Wittmann. Die chiralen Moleküle, die mit ihrer Helixstruktur an die DNA erinnern, wirken dann wie ein Filter: Elektronen mit einer bestimmten Ausrichtung können passieren, andere werden zurückgehalten. Wie diese Wechselwirkung genau funktioniert, soll mithilfe von hochentwickelter Sondierungstechnik untersucht werden.
"Wir halten das Projekt für bahnbrechend, weil es diese beiden unterschiedlichen Arten von Chiralität kombiniert", so Physikerin Wittmann. Das Team sieht reale Chancen, dass der unkonventionelle Ansatz spintronische Bauelemente der nächsten Generation hervorbringt, die in neuartigen Speichern, Logik- und Sensorgeräten und in nicht-konventionellen Computern Verwendung finden könnten.
Das Konsortium besteht aus vier Mitgliedern der JGU und zwei Mitgliedern der Hebrew University of Jerusalem, die ihre Expertise in unterschiedlichen Bereichen zusammenbringen: Prof. Dr. Angela Wittmann und Prof. Dr. Mathias Kläui vom Bereich Physik der Kondensierten Materie, Prof. Dr. Dmitry Budker vom Bereich Quanten-, Atom- und Neutronenphysik und dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM) sowie Prof. Dr. Eva Rentschler vom Department Chemie aufseiten der JGU sowie die Partner Prof. Dr. Yossi Paltiel und Prof. Dr. Nir Bar-Gill vom Department of Applied Physics der Hebrew University of Jerusalem.
Carl-Zeiss-Stiftung fördert innovative Projekte im neuen Programm CZS Wildcard
Die Carl-Zeiss-Stiftung hat Anfang 2022 das Programm CZS Wildcard ins Leben gerufen, um unkonventionelle, interdisziplinäre Forschung aus dem MINT-Bereich zu fördern. Die Gruppen müssen aus mindestens drei Wissenschaftlerinnen oder Wissenschaftlern bestehen. Mit dem Programm sollen Forschungsideen in einem sehr frühen Entwicklungsstadium gefördert werden. Besonders bewertet werden Originalität, Unkonventionalität und Potenzial der Anträge. Die ersten fünf Teams starten Anfang 2023 ihre Arbeit.
Video:
https://www.youtube.com/watch?v=rFwQ-Utj4wE&list=PL0F68B2B14956A8A8
HYMMS – Hybrid chiral Molecule-Magnetic Systems
Video: Schwarzlicht Film
Weiterführende Links:
https://www.komet.physik.uni-mainz.de/ - Physik der kondensierten Materie am Institut für Physik der JGU ;
https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/ - Kläui-Lab ;
https://budker.uni-mainz.de/ - Budker AG ;
https://www.ak-rentschler.chemie.uni-mainz.de/ - AK Eva Rentschler ;
https://www.qnelab.com/ - Yossi Paltiel ;
https://bargill.phys.huji.ac.il/ - Nir Bar-Gill ;
https://www.carl-zeiss-stiftung.de/programm/czs-wildcard - Programm CZS Wildcard ;
https://www.carl-zeiss-stiftung.de/themen-
projekte/uebersicht-projekte/detail/hymms-hybrid-chiral-molecule-magnetic-systems - CZS-Förderung für das Projekt HYMMS