15.11.2021

Mit Molekülen Domino spielen

Molekül lässt sich kontrolliert hochklappen und wieder umwerfen – interessant für Sensorik und Quantencomputing.

Vor drei Jahren gelang es Jülicher Physikern, ein einzelnes flaches Molekül kontrolliert aufzurichten. Nun haben sie es nach monate­langem Experimentieren wieder umgeworfen. Die gewonnenen Einblicke sind ein wichtiger Schritt hin zu einer molekularen Fertigung in drei Dimensionen.

Abb.: Da liegt es wieder: PTCDA-Molekül auf einer Oberfläche aus...
Abb.: Da liegt es wieder: PTCDA-Molekül auf einer Oberfläche aus Silber­atomen. (Bild: C. Wagner / FZJ)

Die Idee, elektrische Bauelemente und Schaltungen auf der Ebene der Atome und Moleküle ähnlich wie größere Maschinen Stück für Stück zusammenzusetzen, ist eines der zentralen Ziele der Nanotechnologie. Das aktuelle Ergebnis, das Jülicher Forscher mit Partnern der englischen Universität Warwick erzielt haben, eröffnet dafür nun neue Wege – beispielsweise um ultra­empfindliche Sensoren oder Quantenpunkte zur Speicherung von Quanten­informationen in Quantencomputern zu realisieren.

Die Forscher wollten herausfinden, exakt wie stabil so ein stehendes Molekül wirklich ist. Dabei muss man sich, wie bei Bruchtests, langsam an den kritischen Punkt herantasten. In diesem Fall haben sie die Temperatur schrittweise erhöht und damit das Molekül mehr und mehr durchgeschüttelt, bis es schließlich umgefallen ist. Eine einzige solche Messung erlaubt zwar schon eine grobe Abschätzung der Stabilität, aber für die nötige Genauigkeit mussten sie das Molekül mehrere hundert Mal neu aufrichten und umwerfen. Das ist wie beim Würfeln: Erst wenn man oft genug gewürfelt hat, merkt man, ob die Würfel gezinkt sind.

Darüber hinaus ist es schwierig überhaupt festzustellen, wann das Molekül umfällt. Die Spitze des Mikroskops ist im Vergleich zu einem einzelnen Molekül riesig und stabilisiert es durch die elektromagnetische Wechselwirkung, solange sie in seiner Nähe ist. „Andererseits muss die Spitze genau über dem Molekül sein, damit wir beobachten können, ob es noch steht“, sagt Christian Wagner, Leiter der Jülicher Forschungs­gruppe Molecular Manipulation. „Anders als in der Quanten­mechanik üblich, ändert sich bei diesem Experiment der Zustand also nur wenn wir nicht hingucken. Daher haben wir eine Vorgehensweise entwickelt, bei der die Spitze im Wechsel zurückgezogen und wieder an das Moleküle angenähert wird. Augen zu – Augen auf, sozusagen.“

Fertigung auf der Nanoskala kennt man vor allem aus der Halbleiter­industrie. Dort werden winzige Strukturen Schicht für Schicht aufgebaut und teilweise wieder weggeätzt. Möglicherweise lassen sich solche Bauteile in Zukunft aber auch noch auf anderen Wegen herstellen. Ein Ansatz ist, sie aus einzelnen Molekülen zusammen­setzen, wie mit LEGO-Steinen. Die Moleküle fungieren dann als Sensor oder Schalter. Sie behalten ihre faszinierenden und nützlichen Eigenschaften aber oft nur, wenn sie eben nicht stabil und flach aufliegen, sondern allenfalls schwach an ihre Unterlage gekoppelt sind. „Wir haben jetzt erstmals vermessen und berechnet, wie stabil solche fragilen Molekül­konfigurationen eigentlich sind und damit eine wichtige Voraussetzung für die weitere technologische Entwicklung geschaffen“, so Wagner.

Eine dieser faszinierenden und nützlichen Eigenschaften von Molekülen sind ihre Quantenzustände, die zum Beispiel zwei Zustände – Null und Eins – kodieren können. Wenn man es schafft diese ‚Quantenbits zu koppeln und zu kontrollieren, könnten sie die Bausteine für Quantencomputer bilden, wie sie derzeit weltweit entwickelt werden. „Auch hier ist es von Vorteil, wenn die Moleküle exakt angeordnet und nur schwach an ihre Umgebung gekoppelt sind; beispielsweise als stehende Moleküle“, erklärt Wagner. „Ob molekulare Qubits letztendlich das Rennen um die besten Quantencomputer gewinnen werden ist noch völlig offen, aber unsere Arbeit erweitert unser Verständnis dafür, wie es klappen könnte. „

FZJ / DE

 

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