Et nyt mikroskop opererer på kvantetilstanden af ​​enkelte elektroner

Fysikere ved University of Regensburg har fundet en måde at manipulere individuelle elektroners kvantetilstand ved hjælp af et mikroskop med atomopløsning. Resultaterne af undersøgelsen er nu offentliggjort i tidsskriftet Nature .

Vi og alt omkring os består af molekyler. Molekylerne er så små, at selv et støvkorn indeholder utallige antal af dem. Det er nu rutinemæssigt muligt præcist at afbilde sådanne molekyler med et atomkraftmikroskop, som fungerer helt anderledes end et optisk mikroskop:det er baseret på at fornemme små kræfter mellem en spids og det molekyle, der undersøges.

Ved hjælp af denne type mikroskop kan man endda afbilde den indre struktur af et molekyle. Selvom man kan se molekylet på denne måde, betyder det ikke, at man kender alle dets forskellige egenskaber. For eksempel er det allerede meget svært at afgøre, hvilken slags atomer molekylet består af.

Heldigvis er der andre værktøjer rundt omkring, der kan bestemme sammensætningen af ​​molekyler. En af dem er elektronspinresonans, som er baseret på lignende principper som en MR-scanner i medicin. Ved elektronspinresonans har man dog normalt brug for utallige molekyler for at opnå et signal, der er stort nok til at kunne detekteres. Med denne tilgang kan man ikke få adgang til egenskaberne for hvert molekyle, men kun deres gennemsnit.

Forskere ved University of Regensburg, ledet af prof. Dr. Jascha Repp fra Institute of Experimental and Applied Physics ved UR, har nu integreret elektronspinresonans i atomkraftmikroskopi.

Det er vigtigt, at elektronspinresonansen detekteres direkte med mikroskopets spids, således at signalet kun kommer fra et enkelt molekyle. På denne måde kan de karakterisere enkelte molekyler på en en-til-en måde. Dette gør det muligt at bestemme af hvilke atomer det molekyle, de lige har afbildet, er sammensat.

"Vi kunne endda skelne molekyler, der ikke adskiller sig i den type atomer, de var sammensat af, men kun i deres isotoper, nemlig i sammensætningen af ​​atomernes kerner," tilføjer Lisanne Sellies, den første forfatter til denne undersøgelse.

"Alligevel er vi endnu mere fascinerede af en anden mulighed, som elektronspinresonans indebærer. Denne teknik kan bruges til at betjene spin-kvantetilstanden af ​​elektronerne, der er til stede i molekylet," siger prof. Dr. Repp.

Kvantecomputere gemmer og behandler information, der er kodet i en kvantetilstand. For at udføre en beregning skal kvantecomputere manipulere en kvantetilstand uden at miste informationen ved såkaldt dekohærens. Forskerne i Regensburg viste, at de med deres nye teknik kunne betjene spindets kvantetilstand i et enkelt molekyle mange gange, før staten dekoherede.

Da mikroskopiteknikken tillader billedet af molekylets individuelle naboskab, kunne den nyudviklede teknik hjælpe med at forstå, hvordan dekohærens i en kvantecomputer afhænger af miljøet på atomare skala og - i sidste ende - hvordan man undgår det.

Flere oplysninger: Lisanne Sellies, Raffael Spachtholz, Sonja Bleher, Jakob Eckrich, Philipp Scheuerer, Jascha Repp, Single-molecule elektron spin resonance ved hjælp af atomic force microscopy, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06754-6

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Regensburg