Aktuelles: Neuartiges Mikroskop arbeitet mit dem Quantenzustand einzelner Elektronen

Physiker*innen der Universit?t Regensburg haben einen Weg gefunden, den Quantenzustand einzelner Elektronen mit einem atomar aufl?senden Mikroskop zu manipulieren. Die Ergebnisse der Studie wurden jetzt im renommierten Fachmagazin Nature ver?ffentlicht. 

Die uns umgebende Welt besteht aus Atomen und Molekülen. Die Moleküle sind so winzig, dass selbst ein Staubkorn unz?hlige von ihnen enth?lt. Umso faszinierender ist es, dass es heutzutage m?glich ist, solche Moleküle mit einem Mikroskop, dem so genannten Rasterkraftmikroskop, pr?zise abzubilden. {web_name}es funktioniert ganz anders als ein Lichtmikroskop: Es basiert auf der Detektion winziger Kr?fte zwischen einer Spitze und dem zu untersuchenden Molekül (siehe Illustration). Auf diese Weise kann man sogar die innere Struktur eines Moleküls abbilden. Obwohl man das Molekül gleichsam beobachten kann, bedeutet dies nicht, dass man alle seine Eigenschaften kennt. Es ist zum Beispiel allein schon sehr schwer zu bestimmen, aus welchen Atomen das Molekül besteht.
Glücklicherweise gibt es andere Instrumente und Methoden, mit denen man die Zusammensetzung von Molekülen bestimmen kann. Eines davon ist die Elektronenspinresonanz, die auf ?hnlichen Prinzipien wie ein MRT-Scanner in der Medizin beruht. Bei der Elektronenspinresonanz ben?tigt man jedoch in der Regel unz?hlige Moleküle, um ein messbares Signal zu erhalten. Auf diese Weise kann man nicht auf die Eigenschaften jedes einzelnen Moleküls zugreifen, sondern nur auf deren gemittelten Signale. 

Forschende der Universit?t Regensburg haben unter der Leitung von Prof. Dr. Jascha Repp, vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der UR, jetzt die Elektronenspinresonanz in die Rasterkraftmikroskopie integriert. Dabei wird die Elektronenspinresonanz direkt mit der Spitze des Mikroskops detektiert, so dass das Signal nur von einem einzelnen Molekül stammt. Auf diese Weise konnten die Forschenden ein Molekül nach dem anderen einzeln charakterisieren und es lie? sich leicht feststellen, aus welchen Atomen das jeweilige Molekül bestand, das sie gerade abgebildet hatten. "Wir konnten sogar Moleküle unterscheiden, die sich nicht in der Art der Atome unterscheiden, aus denen sie zusammengesetzt sind, sondern nur in ihren Isotopen, d.h. in der Zusammensetzung der Atomkerne", fügt Lisanne Sellies, die Erstautorin dieser Studie, hinzu.
?Noch faszinierender ist für uns jedoch eine weitere M?glichkeit, die die Elektronenspinresonanz mit sich bringt:“ erkl?rt Prof. Dr. Repp, ?mit dieser Technik l?sst sich der Quantenzustand der im Molekül vorhandenen Elektronen, n?mlich der des sogenannten Spins, steuern.“ {web_name} wird in der Illustration durch die kleinen farbigen Pfeile veranschaulicht. Aber warum ist das so spannend? Quantencomputer speichern und verarbeiten Informationen, die in einem Quantenzustand kodiert sind. Um eine Berechnung durchzuführen, müssen Quantencomputer einen Quantenzustand manipulieren, ohne dass die Information durch sogenannte Dekoh?renz verloren geht. 
Die Regensburger Forschenden zeigen, dass sie mit ihrer neuen Technik den Quantenzustand des Spins in einem einzelnen Molekül viele Male manipulieren konnten, bevor der Zustand dekoh?rent wurde. Da die Mikroskopietechnik es erlaubt, die individuelle Nachbarschaft des Moleküls abzubilden, k?nnte die neu entwickelte Technik helfen zu verstehen, wie die Dekoh?renz in einem Quantencomputer von der Umgebung auf atomarer Ebene abh?ngt, und - m?glicherweise - wie man sie vermeiden kann.
Das Projekt wurde durch den ERC Synergy Grant MolDAM (Nr. 951519) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Nr. RE2669/6-2) gef?rdert.

Originalpublikation: 
Lisanne Sellies, Raffael Spachtholz, Sonja Bleher, Jakob Eckrich, Philipp Scheuerer, Jascha Repp, ?Single-molecule electron spin resonance by means of atomic force microscopy”, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06754-6
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06754-6 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)