Scanning tunneling microscopie (STM) wordt routinematig gebruikt door natuurkundigen en scheikundigen om atomaire beelden van moleculen op oppervlakken vast te leggen. Nutsvoorzieningen, een internationaal team onder leiding van Christian Joachim en collega's van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering heeft STM een stap verder gebracht:het gebruiken om de kwantumtoestanden in 'superbenzeen'-verbindingen te identificeren met behulp van STM-geleidingsmetingen. Hun resultaten bieden een routekaart voor het ontwikkelen van nieuwe soorten kwantumcomputers op basis van informatie die is gelokaliseerd in moleculaire bindingen.

Om toegang te krijgen tot de kwantumtoestanden van hexabenzocoroneen (HBC) - een plat aromatisch molecuul gemaakt van in elkaar grijpende benzeenringen - deponeerden de onderzoekers het op een gouden substraat. Volgens teamlid We-Hyo Soe, de zwakke elektronische interactie tussen HBC en goud is cruciaal voor het meten van de 'differentiële geleiding' van het systeem - een momentane snelheid van stroomlading met spanning die direct kan worden gekoppeld aan elektronendichtheden binnen bepaalde kwantumtoestanden.

Na afkoeling tot bijna absolute nultemperaturen, het team manoeuvreerde zijn STM-tip naar een vaste locatie boven het HBC-doel. Vervolgens, ze scanden op differentiële geleidingsresonantiesignalen bij bepaalde spanningen. Na het detecteren van deze spanningen, ze brachten de elektronendichtheid rond het hele HBC-raamwerk in kaart met behulp van STM. Deze techniek leverde real-space foto's op van de moleculaire orbitalen van de verbinding - gekwantiseerde toestanden die chemische binding regelen.

Toen Joachim en collega's probeerden een molecuul in kaart te brengen dat twee HBC-eenheden bevat, een dimeer, ze merkten iets raadselachtigs op. Ze ontdekten twee kwantumtoestanden van STM-metingen nabij het midden van het dimeer, maar slechts één toestand toen ze de STM-tip naar de rand van het dimeer verplaatsten (zie afbeelding). Om te begrijpen waarom, de onderzoekers werkten samen met theoretici die kwantummechanica-berekeningen op hoog niveau gebruikten om te identificeren welke moleculaire orbitalen de experimentele kaarten het best reproduceerden.

Traditionele theorie suggereert dat STM-differentiële geleidingssignalen kunnen worden toegewezen aan enkele, unieke moleculaire orbitalen. De berekeningen van de onderzoekers, echter, laten zien dat deze visie onjuist is. In plaats daarvan, ze ontdekten dat waargenomen kwantumtoestanden mengsels van verschillende moleculaire orbitalen bevatten, waarbij de exacte verhouding afhankelijk is van de positie van de ultrascherpe STM-tip.

Soe merkt op dat deze bevindingen een grote impact kunnen hebben op het gebied van quantum computing. "Elke gemeten resonantie komt overeen met een kwantumtoestand van het systeem, en kan worden gebruikt om informatie over te dragen via een eenvoudige energieverschuiving. Deze operatie kan ook enkele logische functies vervullen." hij voegt eraan toe dat geavanceerde, veel-lichamentheorieën zullen nodig zijn om de exacte samenstelling en aard van moleculaire orbitalen te identificeren vanwege het locatieafhankelijke tipeffect.