Rasterkraftmikroskopie mit Quantentechnik Mikroskop manipuliert Quantenzustand in Atomen

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Mit einem neu entwickelten Rasterkraftmikroskop sind Forscher in der Lage, einzelne Atome in einem Molekül zu unterscheiden, sogar wenn es sich um Isotope desselben Elements handelt. Zudem ermöglicht das neue Mikroskop, Quantenzustände in Elektronen zu manipulieren – dies könnte die Erforschung und Entwicklung von Quantencomputern erleichtern.

Die uns umgebende Welt besteht aus Atomen und Molekülen, die so winzig sind, dass selbst ein Staubkorn unzählige von ihnen enthält. Umso faszinierender ist es, dass es heutzutage möglich ist, solche Moleküle mit einem Mikroskop präzise abzubilden, dem so genannten Rasterkraftmikroskop. Dieses funktioniert unabhängig von einer Lichtquelle, sondern basiert auf der Detektion winziger Kräfte zwischen einer Spitze und dem zu untersuchenden Molekül (siehe Illustration). Auf diese Weise lässt sich sogar die innere Struktur eines Moleküls abbilden.

Obwohl es mittels Rasterkraftmikroskop (AFM, Atomic Force Microscope) möglich ist, ein Molekül zu beobachten, bedeutet dies nicht, dass man damit alle seine Eigenschaften kennt. Es ist zum Beispiel schon sehr schwer zu bestimmen, aus welchen Atomen das Molekül besteht.

Hier kommen andere Instrumente und Phänomene zum Einsatz, mit denen sich die Zusammensetzung von Molekülen bestimmen lässt. Eines davon ist die Elektronenspinresonanz, die auf ähnlichen Prinzipien wie ein MRT-Scanner in der Medizin beruht. Bei der Elektronenspinresonanz sind in der Regel allerdings unzählige Moleküle nötig, um ein messbares Signal zu erhalten, sodass man auf diese Weise nicht auf die Eigenschaften jedes einzelnen Moleküls zugreifen kann, sondern nur auf deren gemittelten Signale.

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Molekülinspektion der nächsten Stufe

Forschende der Universität Regensburg haben unter der Leitung von Prof. Dr. Jascha Repp vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg, jetzt die Elektronenspinresonanz in die Rasterkraftmikroskopie integriert. Dabei wird die Elektronenspinresonanz direkt mit der Spitze des Mikroskops detektiert, sodass das Signal nur von einem einzelnen Molekül stammt. Auf diese Weise konnten die Forschenden ein Molekül nach dem anderen einzeln charakterisieren und es ließ 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 Möglichkeit, die die Elektronenspinresonanz mit sich bringt: mit dieser Technik lässt sich der Quantenzustand der im Molekül vorhandenen Elektronen steuern, nämlich der des so genannten Spins“, erklärt Studienleiter Repp. Dies wird in der Illustration oben durch die kleinen farbigen Pfeile veranschaulicht. Aber warum ist das so spannend? Die Antwort liegt in der viel diskutierten Quantentechnologie.

Technik könnte bei Erforschung von Quantencomputern helfen

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 so genannte Dekohärenz 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 dekohärent wurde. Da die Mikroskopietechnik es erlaubt, die individuelle Nachbarschaft des Moleküls abzubilden, könnte sie helfen zu verstehen, wie die Dekohärenz in einem Quantencomputer von der Umgebung auf atomarer Ebene abhängt. Möglicherweise lässt sich dann auch herausfinden, wie man sie vermeiden kann.

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 624, 64–68 (2023); DOI:10.1038/s41586-023-06754-6

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