Fysiker vid University of Regensburg har hittat ett sätt att manipulera kvanttillståndet hos enskilda elektroner med hjälp av ett mikroskop med atomupplösning. Resultaten av studien har nu publicerats i tidskriften Nature .
Vi, och allt omkring oss, består av molekyler. Molekylerna är så små att även en dammfläck innehåller otaliga mängder av dem. Det är nu rutinmässigt möjligt att exakt avbilda sådana molekyler med ett atomkraftsmikroskop, som fungerar helt annorlunda än ett optiskt mikroskop:det är baserat på att känna av små krafter mellan en spets och molekylen som studeras.
Med den här typen av mikroskop kan man till och med avbilda en molekyls inre struktur. Även om man kan titta på molekylen på detta sätt, innebär detta inte att man känner till alla dess olika egenskaper. Det är till exempel redan mycket svårt att avgöra vilken typ av atomer molekylen består av.
Lyckligtvis finns det andra verktyg runt omkring som kan bestämma sammansättningen av molekyler. En av dem är elektronspinresonans, som bygger på liknande principer som en MRT-skanner inom medicin. Vid elektronspinresonans behöver man dock vanligtvis otaliga molekyler för att få en signal som är tillräckligt stor för att kunna detekteras. Med detta tillvägagångssätt kan man inte komma åt egenskaperna hos varje molekyl, utan bara deras genomsnittliga.
Forskare vid University of Regensburg, ledda av prof. Dr. Jascha Repp från Institutet för experimentell och tillämpad fysik vid UR, har nu integrerat elektronspinresonans i atomkraftsmikroskopi.
Viktigt är att elektronspinresonansen detekteras direkt med mikroskopets spets, så att signalen endast kommer från en enskild molekyl. På så sätt kan de karakterisera enstaka molekyler på ett sätt. Detta gör att man kan bestämma av vilka atomer molekylen de just avbildade består av.
"Vi skulle till och med kunna särskilja molekyler som inte skiljer sig åt i vilken typ av atomer de var sammansatta av, utan bara i sina isotoper, nämligen i sammansättningen av atomernas kärnor", tillägger Lisanne Sellies, den här studiens första författare.
"Ändå är vi ännu mer fascinerade av en annan möjlighet som elektronspinresonans innebär. Denna teknik kan användas för att styra spin-kvanttillståndet för elektronerna som finns i molekylen", säger Prof. Dr. Repp.
Kvantdatorer lagrar och bearbetar information som är kodad i ett kvanttillstånd. För att utföra en beräkning krävs det att kvantdatorer manipulerar ett kvanttillstånd utan att förlora informationen genom så kallad dekoherens. Forskarna i Regensburg visade att de med sin nya teknik kunde styra spinnets kvanttillstånd i en enda molekyl många gånger innan tillståndet bröts.
Eftersom mikroskopitekniken tillåter bilden av molekylens individuella grannskap, kan den nyutvecklade tekniken hjälpa till att förstå hur dekoherens i en kvantdator beror på miljön i atomär skala och - så småningom - hur man undviker det.
Mer information: Lisanne Sellies, Raffael Spachtholz, Sonja Bleher, Jakob Eckrich, Philipp Scheuerer, Jascha Repp, Single-molecule elektron spin resonance med hjälp av atomkraftsmikroskopi, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06754-6
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Regensburg
