Natuurkundigen van de Universiteit van Regensburg hebben een manier gevonden om de kwantumtoestand van individuele elektronen te manipuleren met behulp van een microscoop met atomaire resolutie. De resultaten van het onderzoek zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

Wij, en alles om ons heen, bestaan ​​uit moleculen. De moleculen zijn zo klein dat zelfs een stofje er ontelbare aantallen van bevat. Het is nu routinematig mogelijk om dergelijke moleculen nauwkeurig in beeld te brengen met een atoomkrachtmicroscoop, die heel anders werkt dan een optische microscoop:deze is gebaseerd op het waarnemen van kleine krachten tussen een punt en het onderzochte molecuul.

Met dit type microscoop kan men zelfs de interne structuur van een molecuul in beeld brengen. Hoewel je het molecuul op deze manier kunt bekijken, betekent dit niet dat je al zijn verschillende eigenschappen kent. Het is bijvoorbeeld al heel moeilijk om te bepalen uit welk soort atomen het molecuul bestaat.

Gelukkig zijn er andere hulpmiddelen die de samenstelling van moleculen kunnen bepalen. Eén daarvan is elektronenspinresonantie, die gebaseerd is op soortgelijke principes als een MRI-scanner in de geneeskunde. Bij elektronenspinresonantie heb je echter meestal talloze moleculen nodig om een ​​signaal te verkrijgen dat groot genoeg is om detecteerbaar te zijn. Met deze aanpak heeft men geen toegang tot de eigenschappen van elk molecuul, maar alleen tot hun gemiddelde.

Onderzoekers van de Universiteit van Regensburg, onder leiding van prof. dr. Jascha Repp van het Instituut voor Experimentele en Toegepaste Natuurkunde van de UR, hebben nu elektronenspinresonantie geïntegreerd in atoomkrachtmicroscopie.

Belangrijk is dat de elektronenspinresonantie rechtstreeks met de punt van de microscoop wordt gedetecteerd, zodat het signaal slechts van één individueel molecuul afkomstig is. Op deze manier kunnen ze afzonderlijke moleculen één voor één karakteriseren. Hierdoor kan men bepalen uit welke atomen het zojuist afgebeelde molecuul is samengesteld.

"We zouden zelfs moleculen kunnen onderscheiden die niet verschillen in het type atomen waaruit ze zijn samengesteld, maar alleen in hun isotopen, namelijk in de samenstelling van de atoomkernen", voegt Lisanne Sellies, de eerste auteur van dit onderzoek, toe.

"Toch zijn we nog meer geïntrigeerd door een andere mogelijkheid die elektronenspinresonantie met zich meebrengt. Deze techniek kan worden gebruikt om de spin-kwantumtoestand van de elektronen in het molecuul te besturen", zegt prof. dr. Repp.

Kwantumcomputers slaan informatie op en verwerken deze die is gecodeerd in een kwantumtoestand. Om een ​​berekening uit te voeren, moeten kwantumcomputers een kwantumtoestand manipuleren zonder de informatie te verliezen door zogenaamde decoherentie. De onderzoekers in Regensburg lieten zien dat ze met hun nieuwe techniek de kwantumtoestand van de spin in één molecuul vele malen konden beïnvloeden voordat de toestand uiteenviel.

Omdat de microscopietechniek het mogelijk maakt een beeld te krijgen van de individuele omgeving van het molecuul, zou de nieuw ontwikkelde techniek kunnen helpen begrijpen hoe decoherentie in een kwantumcomputer afhangt van de omgeving op atomaire schaal, en – uiteindelijk – hoe deze te vermijden.

Meer informatie: Lisanne Sellies, Raffael Spachtholz, Sonja Bleher, Jakob Eckrich, Philipp Scheuerer, Jascha Repp, Single-molecule elektronenspinresonantie door middel van atoomkrachtmicroscopie, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06754-6

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Universiteit van Regensburg