SPP 1243:  Quantum transport at the molecular scale

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Molekulare Elektronik – die Verwendung einzelner Moleküle als funktionale elektronische Bauelemente – wurde oft beschrieben als die Nachfolgerin der bekannten CMOS-Technologie, die an die physikalischen Grenzen einer weiteren Miniaturisierung stößt. Auch wenn bisher Konsumprodukte aus dieser neuentstehenden Technologie heute noch fehlen, haben sich molekulare Bauelemente als ein hervorragender Prüfstand erwiesen, um fundamentale physikalische und chemische Aspekte zu verstehen und neuartige experimentelle Techniken für die reproduzierbare Kontrolle des Quantentransports auf molekularer Skala zu entwickeln. Im Verlaufe der Förderzeit ist es den beteiligten Gruppen gelungen, den Ladungstransport durch einzelne Moleküle mit diskreten elektronischen Niveaus experimentell zu messen, die Moleküle unter offenen Randbedingungen metallisch zu kontaktieren und unter angelegter Spannung im Regime des Nichtgleichgewichts zu untersuchen. Es wurde nachgewiesen, dass der elektronische Transport von Ladungs- und Spin-Freiheitsgraden stark durch die Elektron-Elektron-, die Elektron-Phonon- und Elektron-Photon-Wechselwirkung beeinflusst ist und zu neuartigen Effekten, wie Spin- und Franck-Condon Blockade führen kann. Die Erforschung von molekularen Brücken als Einheiten von elektronischen Bauelementen begann in größerem Umfang mit den Pionierarbeiten von Mark Ratner am Anfang der 70-er Jahre des vergangenen Jahrhunderts. Seitdem sind sowohl experimentell als auch theoretisch große Fortschritte erzielt worden, zu denen nicht zuletzt auch die Beiträge aus dem DFG-Schwerpunktprogramm 1243 beigetragen haben. Der Ladungstransportmechanismus in Einzelmolekülbrücken wird hauptsächlich durch kohärentes Tunneln bestimmt, welches ursprünglich auf qualitativem Niveau im Rahmen der Landauer-Büttiker-Theorie erfasst wurde. In den Jahren des SPP 1243 wurden jedoch genauere parameterfreie quantitative Theorien durch die Kombination von Nichtgleichgewichts-Greensfunktionen (NEGF) und Dichtefunktionaltheorie (DFT) sowie darüber hinausgehend in Quasiteilchennäherung-GW entwickelt. Diese Techniken und Näherungen wurden sehr populär und stimulierten vielfältige Kooperationen zwischen experimentellen und theoretischen Gruppen in Deutschland und weltweit. Im Rahmen der Theorie können der kohärente Transport und elastische Streueffekte sehr effizient über das Landauer-Büttiker Bild hinaus beschrieben und verstanden werden. Angelegte Spannungen unter offenen Randbedingungen können realistisch durch die Berechnung der Nichtgleichgewichtspopulationen der Ladungsträger realisiert und damit Raumladungseffekte und spannungsabhängiges Einstellen der elektronischen Niveaus berücksichtigt werden. Die offenen Randbedingungen werden nicht-störungstheoretisch durch Selbstenergien für die Kopplung an halbunendliche Zuleitungen einbezogen. Experimente sind heute nicht zuletzt durch die Arbeiten im SPP 1243 reproduzierbar geworden, häufig in guter quantitativer Übereinstimmung mit den theoretischen Daten, und führen somit zu einem umfangreichen Verständnis des molekularen Ladungstransports. Die entwickelten Methoden und Näherungen wurden anhand vieler Systeme mit einer sehr großen Anzahl von Freiheitsgraden (bis zu mehreren 100 Atomen) angewandt und führten zu einer guten quantitativen Beschreibung des Ladungstransport in Einzelmolekülen, in „Break Junctions“, in Scanning Probe Geometrien, in elektrochemischen Umgebungen an Festkörper- Flüssigkeits-Grenzflächen, in molekularen Drähten, Punktkontakten und optischen Molekülschaltern. Das Forschungsfeld hat sich im Verlauf des SPP 1243 enorm weiterentwickelt. Die experimentellen Gruppen haben Reproduzierbarkeit in ihren Messergebnissen erreicht und neue experimentelle Techniken für die Erforschung physikalischer Phänomene im Transport auf molekularen Skalen bereitgestellt. Die theoretischen Gruppen dagegen haben ihre Computer-Methoden und zugrunde liegenden Theorien auf eine neue Qualitätsebene gehoben, so dass zumeist quantitative Übereinstimmung der simulierten Transportsignaturen zu den Experimenten erreicht wurde.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Franck-Condon blockade in suspended carbon nanotube quantum dots, Nature Physics 5, 327 (2009)
  R. Leturcq, C. Stampfer, K. Inderbitzin, L. Durrer, C. Hierold, E. Mariani, M.G. Schultz, F. von Oppen, K. Ensslin
  
• Portrait of the potential barrier at metal–organic nanocontacts, Nature Materials 9, 320 (2010)
  L. Vitali,., G. Levita, R. Ohmann, A. Comisso, A. De Vita, and K. Kern
  
• A Tunable Two-impurity Kondo system in an atomic point contact, Nature Physics 7, 901 (2011)
  J. Bork, Y.Zhang, L.Diekhöner, L. Borda, P. Simon, J. Kroha, P. Wahl, K. Kern
  
• Magneto-resistance through single molecules using a spinpolarized STM, Nature Nanotechnology 6, 185 (2011)
  S. Schmaus, A. Bagrets, Y. Nahas, T. K. Yamada, A. Bork, M. Bowen, E. Beaurepaire, F. Evers and W. Wulfhekel
  
• Driving a Macroscopic Oscillator with the Stochastic Motion of a Hydrogen Molecule, Science 338, 779-782 (2012)
  Lotze, C.; Corso, M.; Franke, K. J.; et al.,I. Pascual
  
• Photocurrent of a single photosynthetic protein, Nature Nanotechnology 7, 673–676 (2012)
  D. Gerster, J. Reichert, H. Bi, J.V. Barth, S.M. Kaniber, A.W. Holleitner, I. Visoly-Fisher, S. Sergani and I. Carmeli
  
• Switching of a coupled spin pair in a single-molecule junction, Nature Nanotechnology 8, 575 (2013)
  S. Wagner, F. Kisslinger, et al, H. Weber, M. Ruben
  

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