Nature Communications: Quanten-Spin-Engineering in molekularen Doppelmagnetstrukturen

Elektronen haben einen Eigendrehimpuls, auch Spin genannt der sie zu kleinen Magneten macht. Auf dieser Eigenschaft baut die Informationsverarbeitung und Sensorik der Quantentechnologie auf. Das Design und die Kontrolle von Spin-Strukturen auf atomarer Ebene stellen hierbei eine große Herausforderung dar. In der Fachzeitschrift Nature Communications präsentieren Forschende um Philip Willke eine neue Strategie, um die Lebensdauer und die kohärente Kontrolle von molekularen Spin-Quantenbits entscheidend zu verbessern.

In der digitalen Datenverarbeitung und -speicherung stellen Bits die kleinste Informationseinheit dar: Sie beträgt entweder 1 oder 0. Quantenbits können die Zustände 1 und 0 gleichzeitig annehmen sowie alle beliebigen Zustände dazwischen. Dadurch ermöglichen sie paralleles Rechnen mit mehreren Zuständen sowie die Anwendung neuartiger Rechenverfahren. Ein Nachteil ist die Instabilität ihres Zustandes: Nur in ausreichender Isolation bleiben ihre Quanteneigenschaften lange genug erhalten, das heißt, der Spin in eine vorgegebene Richtung ausgerichtet. Besonders herausfordernd ist daher das Auslesen der Informationen, da es hier leicht zu unerwünschten Wechselwirkungen kommen kann. „Zum Schutz der Quanteninformationen stellen wir eine Doppelmagnetstruktur mit zwei Eisenatomen her, die sich in einem Molekül befinden“, erklärt Philip Willke. „Man kann sich das vorstellen, wie bei einem Sandwich: Es genügt mit der oberen oder unteren Schicht in Kontakt zu treten, um Auskunft über das Gesamtmagnetsystem zu erhalten. Dadurch wird der restliche Teil geschützt und die Lebensdauer des Spins verlängerte sich in unserem Experiment um das Fünffache.“ Damit bietet die Doppelmagnetstruktur ein vielversprechendes System für Quantensensorik, -simulation oder -informationsverarbeitung sowie eine vielseitige Plattform zur Untersuchung komplexer magnetischer Wechselwirkungen. Für die Herstellung verwendeten die Forschenden die feine Spitze eines Rastertunnelmikroskops, um nach dem Baukastenprinzip ein Eisen-Atom mit einem Eisen Phthalocyanin Molekül zu verbinden – eine Struktur die es so in der Natur nicht gibt.