Scanning tunneling microscopy (STM) används rutinmässigt av fysiker och kemister för att fånga atomiska bilder av molekyler på ytor. Nu, ett internationellt team ledd av Christian Joachim och medarbetare från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering har tagit STM ett steg längre:att använda det för att identifiera kvanttillstånden i "superbensen"-föreningar med hjälp av STM-konduktansmätningar. Deras resultat ger en färdplan för att utveckla nya typer av kvantdatorer baserade på information lokaliserad inuti molekylära bindningar.

För att få tillgång till kvanttillstånden av hexabensokoronen (HBC) - en platt aromatisk molekyl gjord av sammankopplade bensenringar - deponerade forskarna den på ett guldsubstrat. Enligt teammedlemmen We-Hyo Soe, den svaga elektroniska interaktionen mellan HBC och guld är avgörande för att mäta systemets "differentiella konduktans" - en momentan strömladdningshastighet med spänning som direkt kan kopplas till elektrondensiteter inom vissa kvanttillstånd.

Efter kylning till nästan absoluta nolltemperaturer, teamet manövrerade sin STM-spets till en fast plats ovanför HBC-målet. Sedan, de skannade efter differentialkonduktansresonanssignaler vid speciella spänningar. Efter att ha upptäckt dessa spänningar, de kartlade elektrontätheten runt hela HBC-ramverket med hjälp av STM. Denna teknik gav verkliga bilder av föreningens molekylära orbitaler - kvantiserade tillstånd som kontrollerar kemisk bindning.

När Joachim och hans medarbetare försökte kartlägga en molekyl som innehöll två HBC-enheter, en dimer, de märkte något förbryllande. De upptäckte två kvanttillstånd från STM-mätningar tagna nära dimerens mitt, men bara ett tillstånd när de flyttade STM-spetsen till dimerens kant (se bild). För att förstå varför, forskarna samarbetade med teoretiker som använde kvantmekaniska beräkningar på hög nivå för att identifiera vilka molekylära orbitaler som bäst reproducerade de experimentella kartorna.

Traditionell teori föreslår att STM differentiell konduktanssignaler kan tilldelas enkla, unika molekylära orbitaler. Forskarnas beräkningar, dock, visa att denna uppfattning är felaktig. Istället, de fann att observerade kvanttillstånd innehöll blandningar av flera molekylära orbitaler, med det exakta förhållandet beroende på positionen för den ultraskarpa STM-spetsen.

Soe noterar att dessa fynd kan ha en stor inverkan på kvantberäkningsområdet. "Varje uppmätt resonans motsvarar ett kvanttillstånd i systemet, och kan användas för att överföra information genom ett enkelt energiskifte. Denna operation kan också fylla vissa logiska funktioner." han tillägger att avancerade, teorier om många kroppar kommer att vara nödvändiga för att identifiera den exakta sammansättningen och naturen hos molekylära orbitaler på grund av den platsberoende spetseffekten.