Quantenpunkt misst Kernspin

In Kernspins lässt sich Quanteninformation hervorragend speichern. Da diese Spins im Atomkern gut gegen störende Umwelteinflüsse abgeschirmt sind, bleiben die eingeschriebenen Quantenbits mehrere Millisekunden und länger erhalten. Dies zeigt sich, wenn man den Quantenzustand einzelner Kernspins, etwa von Stickstofffehlstellen in Diamanten, zum Beispiel mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops misst. Jetzt haben Forscher in Frankreich ein Qubit mehrere Sekunden lang im Kernspin eines magnetischen Atoms gespeichert und den Spinzustand mit einem Einzelmolekültransistor ausgelesen.

Wolfgang Wernsdorfer von der Université Joseph Fourier in Grenoble und seine Kollegen nutzten als Qubitspeicher den Kernspin eines magnetischen Terbiumatoms, das sie in ein organisches Molekül eingebettet hatten. Verglichen mit den Stickstofffehlstellen bieten diese Moleküle mehrere Vorteile: Man kann sie problemlos millionenfach in identischer Form herstellen, und die molekulare Umgebung der in ihnen sitzenden Kernspins lässt sich maßschneidern. Beides zusammen ist für den Bau eines leistungsfähigen Quantencomputers nützlich.

Der Kernspin des Terbiumatoms hatte den Betrag I = 3/2. In welchem der vier Quantenzustände (I_z = -3/2, -1/2, +1/2, +3/2) der Kernspin sich befand, maßen die Forscher elektronisch. Dazu platzierten sie das organische Molekül, in dem das Atom saß, auf einen strukturierten Goldnanodraht. Dadurch entstand ein Einzelmolekültransistor, bei dem ein elektrischer Strom von der Source-Elektrode durch das Molekül zur Drain-Elektrode fließen konnte. Die Stromstärke ließ sich mit einer unter dem Molekül liegenden Gate-Elektrode steuern.

Zudem war das organische Molekül einem Magnetfeld in z-Richtung ausgesetzt, das das magnetische Moment des Terbiumatoms ausrichtete. Dabei traten zwei magnetische Grundzustände mit J_z = -6 und +6 auf. Durch starke Hyperfeinwechselwirkung mit dem Kernspin spaltete jeder Grundzustand in vier Hyperfeinzustände auf. Indem die Forscher die Stärke des Magnetfeldes langsam veränderten, konnten sie nacheinander verschiedene Paare dieser Hyperfeinzustände zur Resonanz bringen. Bei B = 40 Millitesla waren das zum Beispiel die Zustände |-6, 3/2> und |+6, 3/2>. Weitere Resonanzen traten bei -40, -14 und +14 Millitesla auf.

Zusätzlich vorhandene molekulare Magnetfelder hoben die exakte Entartung der Zustandspaare auf, so dass vermiedene Niveauüberkreuzungen auftraten. Eine langsame Veränderung des äußeren Magnetfeldes konnte dann den einen Zustand in den anderen überführen, wodurch sich das magnetische Moment des Terbiumatoms umkehrte. Dabei änderten sich die elektrischen Eigenschaften des Moleküls abrupt. Es verhielt sich wie ein Quantenpunkt, dessen (differentielle) Leitfähigkeit empfindlich von der Magnetisierung des Terbiumatoms und damit indirekt vom Kernspinzustand abhing.

Indem die Forscher die Stärke des äußeren Magnetfeldes 11.000 Mal zwischen -50 und +50 Millitesla erhöhten und wieder verringerten und dabei die Leitfähigkeit des Moleküls maßen, konnten sie eine Statistik über die Häufigkeiten aufstellen, mit der sich die Magnetisierung des Atoms bei den vier genannten Magnetfeldstärken umkehrte. Dies entsprach den Wahrscheinlichkeiten, mit denen die vier I_z-Zustände des Kernspins vorlagen. Auf diese Weise konnten Wernsdorfer und seine Kollegen ermitteln, wie der Quantenzustand des Kernspins von der Temperatur abhing.

Wurde die Messung des Kernspinzustands nach einer bestimmten Wartezeit wiederholt, so ließ sich erkennen, ob sich der Zustand durch Kernspinflips, hervorgerufen durch äußere Einflüsse, verändert hatte. So konnten die Forscher die Lebensdauer des Kernspinzustands bestimmen. Der Zustand blieb demnach etwa 20 Sekunden lang erhalten und war erst nach 50 Sekunden weitgehend zerfallen. Eben diese Langlebigkeit des Quantenzustands und die vielfältigen Möglichkeiten der molekularen Elektronik machen das von Wernsdorfer und seinen Kollegen vorgestellten Verfahren besonders interessant für eine Nutzung in der Spintronik und im Quantencomputing.

Rainer Scharf

PH