Sag mir, wie die Nadel steht
Einzelne Kernspins lassen sich mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops auslesen.
Wissenschaftlern am Zentrum für Quantum Nanoscience in Seoul ist ein wichtiger Durchbruch zur Messung des Magnetismus auf atomarer Skala gelungen. In einer internationalen Kollaboration mit Wissenschaftlern aus Europa und Amerika konnten sie erstmals den Kernspin von einzelnen Eisen- und Titanatomen auf einer Oberfläche vermessen. Normalerweise lässt sich der Kernspin, der den Magnetismus des Atomkerns beschreibt, nur für eine sehr große Zahl an Atomen bestimmen, wie es zum Beispiel der Fall ist in einem Magnetresonanztomographen im Krankenhaus. Die neue Studie hingegen zeigte, dass dies auch für einzelne Atome möglich ist.
Abb.: Einzelne Atome auf einer Magnesiumoxid-
Für ihre Experimente benutzten die Wissenschaftler ein Rastertunnelmikroskop. Dieses ertastet die Oberfläche einer Probe mit Hilfe einer dünnen Metallspitze. So ist es möglich, einzelne Atome sichtbar zu machen sowie ihre elektrische und magnetische Struktur zu erforschen. Einige der untersuchten Eisen- und Titan-
„Bemerkenswert war, dass die Hyperfeinstruktur sich änderte, wenn wir dasselbe Atom an eine andere Position auf der Oberfläche brachten oder wenn wir andere Atome in der Nähe positionierten.“, sagt Philip Willke, Erstautor der Studie und Feodor-
Die Wissenschaftler planen diese Sensitivität der Hyperfeinstruktur auf die chemische Umgebung in Zukunft als Sensor zu nutzen, ähnlich zu einem Magnetresonanztomographen. Auf der atomaren Skala jedoch erlaubt der Kernspin, die elektronische Struktur von Atomen und Molekülen sowie ihre Wechselwirkung mit der Umgebung zu vermessen.
Darüber hinaus planen die Forscher, Information im Kernspin des Atoms zu speichern. Ein logisches Bit, welches entweder den Zustand „0“ oder „1“ besitzt, lässt sich in der Magnetisierung des Kernspins kodieren. Zudem wollen sie ihre Technik nutzen, um Konzepte von Quantencomputern zu testen, für welche Kernspins aufgrund Ihrer schwachen Wechselwirkung mit der Umgebung gute Kandidaten sind.
„Diese Ergebnisse sind ein Meilenstein in unserem Feld und haben sehr vielversprechende Aussichten für die Zukunft.“, sagt Andreas Heinrich, Direktor des Zentrums für Quantum Nanoscience. „Indem wir einzelne Kernspins adressieren, können wir ein tieferes Verständnis über die Struktur von Atomen und Materie erlangen, was ein neues Feld in der Grundlagenforschung öffnet.“ Das Zentrum für Quantum Nanoscience auf dem Campus der Ewha Universität in Seoul ist ein neugegründetes Forschungszentrum, welches die Zweige der Quanteninformation und Nanowissenschaften verbindet.
QNS / DE
