08.12.2023

Mikroskop manipuliert Quantenzustand einzelner Elektronen

Forscher integrieren Elektronenspinresonanz in die Rasterkraftmikroskopie.

Rasterkraftmikroskope basieren auf der Detektion winziger Kräfte zwischen einer Spitze und dem zu untersuchenden Molekül. Auf diese Weise kann man sogar die innere Struktur eines Moleküls abbilden. Das bedeutet aber nicht, dass man alle seine Eigenschaften kennt. Es ist sogar schwer zu bestimmen, aus welchen Atomen das untersuchte Molekül besteht. Doch es gibt andere Instrumente und Methoden, mit denen man die Zusammensetzung von Molekülen bestimmen kann. Eines davon ist die Elektronenspinresonanz, die auf ähnlichen Prinzipien wie ein MRT-Scanner in der Medizin beruht. Bei der Elektronenspinresonanz benötigt man jedoch in der Regel unzählige Moleküle, um ein messbares Signal zu erhalten. Auf diese Weise kann man nicht auf die Eigenschaften jedes einzelnen Moleküls zugreifen, sondern nur auf deren gemittelten Signale.

Abb.: Die Wellenlinien repräsentieren das Radiofrequenz-Magnetfeld, welches...
Abb.: Die weiße Struktur repräsentiert ein einzelnes Molekül, die Pfeile seinen Spin-Quantenzustand und die Wellenlinien das Radiofrequenz-Magnetfeld, welches die Elektronenspinresonanz treibt. Letztere wird mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops detektiert.
Quelle: E. Vázquez / U. Regensburg

Forschern der Uni Regensburg haben unter Leitung von Jascha Repp jetzt die Elektronenspinresonanz in die Rasterkraftmikroskopie integriert. Dabei wird die Elektronenspinresonanz direkt mit der Spitze des Mikroskops detektiert, so dass das Signal nur von einem einzelnen Molekül stammt. Auf diese Weise konnten die Forscher ein Molekül nach dem anderen einzeln charakterisieren und es ließ sich leicht feststellen, aus welchen Atomen das jeweilige Molekül bestand, das sie gerade abgebildet hatten. „Wir konnten sogar Moleküle unterscheiden, die sich nicht in der Art der Atome unterscheiden, aus denen sie zusammengesetzt sind, sondern nur in ihren Isotopen, also der Zusammensetzung der Atomkerne", sagt Lisanne Sellies von der Uni Regensburg.

„Noch faszinierender ist für uns jedoch eine weitere Möglichkeit, die die Elektronenspinresonanz mit sich bringt,“ erklärt Repp. „Mit dieser Technik lässt sich der Quantenzustand der im Molekül vorhandenen Elektronen, nämlich der des Spins, steuern.“ Die Forscher zeigen, dass sie mit ihrer neuen Technik den Quantenzustand des Spins in einem einzelnen Molekül viele Male manipulieren können, bevor der Zustand dekohärent wird. Da die Mikroskopietechnik es erlaubt, die individuelle Nachbarschaft des Moleküls abzubilden, könnte die neu entwickelte Technik helfen zu verstehen, wie die Dekohärenz in einem Quantencomputer von der Umgebung auf atomarer Ebene abhängt, und möglicherweise wie man sie vermeiden kann.

U. Regensburg / RK


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