Molekülspins gezielt elektrisch kontrollieren
Elektrische Spannung statt Magnetfelder: Neue Perspektiven für molekulare Quantentechnologien und Quantenoperationen.
Die gezielte Kontrolle einzelner Quantenzustände gilt als eine zentrale Voraussetzung für künftige Quantencomputer und andere Quantentechnologien. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun einen neuen Weg gefunden, den Spin einzelner magnetischer Moleküle auf einer Oberfläche gezielt mit elektrischer Spannung zu steuern. Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung effizienter Quantencomputer und elektrisch gesteuerter Quantenoperationen.
Einzelne magnetische Moleküle sind dabei besonders vielversprechende Bausteine für Qubits – den grundlegenden Informationseinheiten von Quantencomputern. Aufgrund ihrer geringen Größe besitzen sie ausgeprägte Quanteneigenschaften und lassen sich durch moderne chemische Synthese gezielt an unterschiedliche Anwendungen anpassen.
„Um magnetische Moleküle künftig einsetzen zu können, müssen wir ihren quantenmechanischen Zustand, also den Spin, präzise und lokal kontrollieren können“, sagt Philip Willke, Professor am Physikalischen Institut (PHI) des KIT. Bisher geschieht dies überwiegend mithilfe magnetischer Felder. Diese lassen sich jedoch schwer auf einzelne Moleküle begrenzen und nur mit eingeschränkter Geschwindigkeit schalten. Elektrische Spannungen hingegen ermöglichen es, die Spins über eine effiziente Spin-elektrische Kopplung schnell und lokal zu steuern.
Quantenspin-Modell aus Nanographen
Heterostrukturen für die Spintronik
Spintronik mit Nanowürfeln
Oberflächlich geschaltet
Oberflächliche Quantenkontrolle
In Resonanz – Atom für Atom
Mithilfe einer Kombination aus Elektronenspinresonanz und Rastertunnelmikroskopie untersuchte das Team um Willke gezielt Eisenphthalocyanin-Moleküle (FePc) sowie Fe-FePc-Komplexe auf einer Oberfläche. Diese eignen sich besonders, weil sie stabil auf der Oberfläche liegen. Die Forschenden konnten die Moleküle einzeln adressieren und ihre magnetischen Eigenschaften beziehungsweise ihren Spin durch angelegte elektrische Spannungen gezielt verändern.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich molekulare Spins effizient und lokal mit elektrischen Signalen steuern lassen. Damit eröffnen sich neue Perspektiven für die Realisierung schneller und kompakter Quantenbauelemente“, sagt Willke. „Im Gegensatz zu magnetischen Feldern lassen sich elektrische Felder räumlich präziser anlegen und elektrische Signale viel schneller schalten.“
An den Untersuchungen waren Forschende der Ewha Womans University in Südkorea beteiligt. Sie erarbeiteten theoretische Grundlagen, mit denen sich die beobachtete Spin-elektrische Kopplung physikalisch erklären lässt.
Elektrische Steuerungsverfahren könnten künftig eine attraktive Alternative zu aufwendigen magnetischen Methoden sein. Langfristig könnte dieser Ansatz neue Impulse für die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer sowie für Anwendungen in der Quantensensorik und Spintronik liefern. [KIT / dre]
