31.10.2018

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-Ober­fläche. Einige Atome haben einen Kern­spin. Sie werden mit Hilfe der Spitze eines Raster­tunnel­mikroskops abgebildet. (Bild: QNS)

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-Isotope weisen einen magnetischen Kern auf. Um den Kern­spin eines einzelnen Atoms messen zu können, bediente sich das Team der Hyper­fein-Wechsel­wirkung. Diese ist deutlich einfacher zu detektieren.

„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-Lynen Stipendiat am Zentrum für Quantum Nanoscience. „In beiden Fällen ändert sich die elektronische Struktur des Atoms und der Kern­spin erlaubte uns, dies zu messen“.

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

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