Rastertunnelmikroskopie Welcher Peak steht für welche Anregung?

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Eine Anregung kann im Molekül verschiedenste Prozesse auslösen. Mithilfe von Rastertunnelmikroskopie haben Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel nun gezeigt, wie sich Quantenzustände per Messung zuordnen lassen: Sind es Schwingungen, Spin-Änderungen oder ein Orbitalwechsel, die das Signal erzeugen?

Moleküle können in verschiedenste Quantenzustände versetzt werden. Wie lassen sich diese Zustände in Messungen unterscheiden, wenn theoretischen Modelle unzuverlässig sind? Und welcher Anregungsprozess steckt hinter welchem Messsignal?

Vor genau diesen Fragen stand Dr. Arnab Banerjee, als er einzelne Cobaltocen-Moleküle mit Tunnelspektroskopie untersuchte. Die gemessenen Spektren zeigten eine verwirrende Vielzahl von Anregungen. Zusammen mit Kollegen an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und aus Spanien gelang es ihm, die Daten auf eine neue Art zu entschlüsseln. Die Ergebnisse wurden im Journal „Physical Review Letters“ veröffentlicht und von den Herausgebern durch eine „Editors’ Suggestion“ hervorgehoben.

Moleküle auf Oberflächen

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Was hinter den Peaks steckt

Für ihre Studie untersuchten die Wissenschaftler das Molekül Cobaltocen auf einer Bleifläche, die bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend wird, also Strom ohne Widerstand leitet. Dafür setzte das Team ein Rastertunnelmikroskop ein. Dessen metallische Spitze näherten sie dem Molekül so weit an, dass Elektronen den winzigen Abstand zum Molekül überwinden konnten. Indem die Forschenden die Energie der Elektronen änderten und den dabei fließenden Strom aufzeichneten, erhielten sie ein Spektrum: Sprunghaftes Ansteigen des Stroms signalisiert, dass bei der jeweiligen Energie ein Prozess im Molekül ausgelöst wird. Doch ein Sprung allein verrät noch nicht, welcher Prozess genau dahintersteckt. Besonders verwirrend wird es, wenn viele verschiedene Anregungen im selben Spektrum auftreten.

Um die einzelnen Signale zu unterscheiden, fügte das Team zusätzliche Elektronen in das Molekül und entfernte sie wieder. Auch untersuchten die Forscher die Wirkung eines starken Magnetfelds auf die Anregungsprozesse. Beides zusammen zeigte schließlich die Art der Anregung, sei es eine Schwingung des Moleküls, ein Umklappen eines Elektronenspins oder das Wechseln eines Elektrons zwischen verschiedenen Orbitalen.

Ein Blick ins Molekülinnere

Die Messungen zeigen nicht nur, bei welchen Energien Anregungen auftreten. Auch die räumliche Verteilung der Anregungswahrscheinlichkeit wurde mit submolekularer Auflösung bestimmt. Ein Vergleich mit den Ergebnissen aufwendiger Rechnungen (Dichtefunktionaltheorie, zeitabhängige Erweiterung TDDFT) bestätigte die Zuordnung der Messsignale zu den beteiligten Molekülzuständen.

„Moleküle sind Quantensysteme. Um ihre Zustände zu kontrollieren und sie möglicherweise als Bausteine von Quantencomputern zu nutzen, sind tiefe Temperaturen unabdingbar“, sagt Dr. Alexander Weismann, Mitautor der Studie. „Gegenwärtig erforscht die Kieler Physik im Rahmen von KiNSIS – Kiel Nano, Surface and Interface Science – Quantenphänomene an vorderster Front. Ich hoffe, dass die CAU dieses zukunftsträchtige Feld nicht aufgeben wird.“

Originalpublikation: Banerjee, A. et al.: Coexisting Spin, Vibrational, and Orbital Excitations in Conductance Spectra, Physical Review Letters 137, 116403 (2026); DOI: 10.1103/mwl6-8nzl