Eine Alternative für die Manipulation von Quantenzuständen

Elektronen haben einen Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin, durch den sie sich wie eine Kompassnadel entlang eines Magnetfelds ausrichten k?nnen. Zus?tzlich zur elektrischen Ladung der Elektronen, die f¨¹r ihr Verhalten in elektronischen Schaltkreisen entscheidend ist, nutzt man diesen Spin zunehmend, um damit zum Beispiel Daten zu speichern und zu verarbeiten. Auf dem Markt gibt es bereits MRAM- Speicherelemente (magnetic random access memories), die Informationen in sehr kleinen, aber immer noch klassischen Magneten ¨C also mit sehr vielen Elektronenspins - speichern. MRAMs beruhen darauf, dass Str?me aus Elektronen mit parallel ausgerichteten Spins die Magnetisierung an einer bestimmten Stelle eines Materials ?ndern k?nnen.

Dass man mit solchen spinpolarisierten Str?men auch die Quantenzust?nde einzelner Elektronenspins in einem Molek¨¹l kontrollieren kann, zeigen Pietro Gambardella und seine Mitarbeitenden an der ETH Z¨¹rich. Ihre Ergebnisse, die sie soeben im Wissenschaftsjournal Science ver?ffentlicht haben, k?nnten in Zukunft in verschiedenen Technologien eingesetzt werden, unter anderem zur Kontrolle der Quantenzust?nde von Quanten-Bits (Qubits). 

Tunnelstr?me in einzelne Molek¨¹le

?Traditionell werden Elektronenspins mittels elektromagnetischer Felder, beispielweise Radio- oder Mikrowellen, manipuliert?, sagt Sebastian Stepanow, Senior Scientist in Gambardellas Labor. Diese Technik, auch als Elektronenspinresonanz bekannt, wurde bereits Mitte der 1940er Jahre entwickelt und wird seitdem unter anderem in der Materialforschung, Chemie und Biophysik eingesetzt. ?Dass man Elektronenspinresonanz von einzelnen Atomen anregen kann, wurde zwar schon vor einigen Jahren demonstriert; der genaue Mechanismus daf¨¹r war aber bislang unklar?, sagt Stepanow.

Um die quantenmechanischen Vorg?nge hinter diesem Mechanismus genauer zu studieren, pr?parierten die Forschenden Molek¨¹le von Pentacen (ein aromatischer Kohlenwasserstoff) auf einem Silbersubstrat. Auf diesem war zuvor eine d¨¹nne Isolierschicht aus Magnesiumoxid aufgebracht worden. Diese Schicht sorgt daf¨¹r, dass sich die Elektronen im Molek¨¹l ann?hernd so verhalten wie jene eines Molek¨¹ls im freien Raum.

Mit einem Rastertunnelmikroskop charakterisierten die Forschenden zun?chst die Elektronenwolken im Molek¨¹l. Dabei wird der Strom gemessen, der beim sogenannten quantenmechanischen Tunneln der Elektronen von einer Nadelspitze aus Wolfram zu dem Molek¨¹l entsteht. Nach den Gesetzen der klassischen Physik k?nnten die Elektronen den Spalt zwischen der Nadelspitze und dem Molek¨¹l n?mlich nicht ¨¹berwinden, da ihnen dazu die Energie fehlt. Die Quantenmechanik dagegen erlaubt es den Elektronen, dennoch durch den Spalt zu ?tunneln?, was zu einem messbaren Strom f¨¹hrt.

Mini-Magnet auf der Nadelspitze

Dieser Tunnelstrom kann spinpolarisiert werden, indem man mit der Wolframspitze zun?chst einige Eisenatome aufhebt, die sich ebenfalls auf der Isolierschicht befinden. Die Eisenatome bilden auf der Spitze eine Art Mini-Magneten. Fliesst ein Tunnelstrom durch diesen Magneten, so richten sich die Spins der Elektronen im Strom alle parallel zu seiner Magnetisierung aus.

Nun setzten die Forschenden die magnetisierte Wolframspitze einer Gleichspannung sowie einer schnell schwingenden Wechselspannung aus und massen den dadurch erzeugten Tunnelstrom. Durch Ver?ndern der St?rke der beiden Spannungen sowie der Frequenz der Wechselspannung konnten sie charakteristische Resonanzen im Tunnelstrom beobachten. Die genaue Form dieser Resonanzen wiederum erlaubte es, R¨¹ckschl¨¹sse auf die Prozesse zu ziehen, die sich zwischen den tunnelnden Elektronen und denen des Molek¨¹ls abspielten.

Direkte Spin-Kontrolle durch polarisierte Str?me

Aus den Daten konnten Stepanow und seine Kolleg:innen zwei Erkenntnisse ableiten. Einerseits reagierten die Elektronenspins im Pentacen-Molek¨¹l wie in der gew?hnlichen Elektronenspinresonanz auf das elektromagnetische Feld, das durch die Wechselspannung entstand. Andererseits wies die Form der Resonanzen auf einen zus?tzlichen Prozess hin, der ebenfalls den Spin der Elektronen im Molek¨¹l beeinflusste.

?Dieser Prozess ist die so genannte Spin-Drehmoment-?bertragung, f¨¹r die das Pentacen-Molek¨¹l ein ideales Modellsystem ist?, sagt Doktorand Stepan Kovarik. Bei der Spin-Drehmoment-?bertragung ?ndert sich der Molek¨¹l-Spin durch den spinpolarisierten Elektronenstrom ohne die direkte Einwirkung eines elektromagnetischen Feldes. Die ETH-Forschenden konnten zeigen, dass auf diese Weise auch quantenmechanische ?berlagerungszust?nde des Molek¨¹l-Spins erzeugt werden k?nnen, wie sie beispielsweise in Quantentechnologien zum Einsatz kommen.

?Diese Spin-Kontrolle durch spinpolarisierte Str?me auf Quanten-Ebene er?ffnet verschiedene Anwendungsm?glichkeiten?, sagt Kovarik. Im Gegensatz zu elektromagnetischen Feldern wirken die spinpolarisierten Str?me sehr lokal und k?nnen auf weniger als einen Nanometer genau justiert werden. Mit solchen Str?men k?nnten elektronische Schaltelemente in Quanten-Ger?ten pr?zise angesteuert und so etwa die Quantenzust?nde von magnetischen Qubits kontrolliert werden.