Superbenzenoligomerer baner vejen for nye typer kvantecomputere

Scanning tunneling mikroskopi (STM) er rutinemæssigt ansat af fysikere og kemikere til at fange atomare skala billeder af molekyler på overflader. Nu, et internationalt team ledet af Christian Joachim og medarbejdere fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering har taget STM et skridt videre:ved at bruge det til at identificere kvantetilstande i 'superbenzen'-forbindelser ved hjælp af STM-konduktansmålinger. Deres resultater giver en køreplan for udvikling af nye typer kvantecomputere baseret på information lokaliseret inde i molekylære bindinger.

For at få adgang til kvantetilstandene af hexabenzocoronen (HBC) - et fladt aromatisk molekyle lavet af sammenkoblede benzenringe - deponerede forskerne det på et guldsubstrat. Ifølge teammedlem We-Hyo Soe, den svage elektroniske interaktion mellem HBC og guld er afgørende for måling af systemets 'differentielle ledningsevne' - en øjeblikkelig strømladningshastighed med spænding, der kan forbindes direkte med elektrontætheder inden for visse kvantetilstande.

Efter afkøling til næsten absolutte nultemperaturer, holdet manøvrerede sin STM-spids til et fast sted over HBC-målet. Derefter, de scannede for differentialkonduktansresonanssignaler ved bestemte spændinger. Efter at have detekteret disse spændinger, de kortlagde elektrontætheden omkring hele HBC-rammen ved hjælp af STM. Denne teknik gav billeder i det virkelige rum af forbindelsens molekylære orbitaler - kvantiserede tilstande, der kontrollerer kemisk binding.

Da Joachim og hans kolleger forsøgte at kortlægge et molekyle indeholdende to HBC-enheder, en dimer, de bemærkede noget forvirrende. De opdagede to kvantetilstande fra STM-målinger taget nær dimerens midte, men kun én tilstand, da de flyttede STM-spidsen til dimerens kant (se billede). For at forstå hvorfor, forskerne samarbejdede med teoretikere, der brugte kvantemekaniske beregninger på højt niveau til at identificere, hvilke molekylære orbitaler der bedst reproducerede de eksperimentelle kort.

Traditionel teori antyder, at STM differentielle konduktanssignaler kan tildeles enkelt, unikke molekylære orbitaler. Forskernes beregninger, imidlertid, vise, at denne opfattelse er mangelfuld. I stedet, de fandt ud af, at observerede kvantetilstande indeholdt blandinger af flere molekylære orbitaler, med det nøjagtige forhold afhængig af positionen af ​​den ultraskarpe STM-spids.

Soe bemærker, at disse resultater kan have en stor indflydelse inden for kvanteberegning. "Hver målt resonans svarer til en kvantetilstand i systemet, og kan bruges til at overføre information gennem et simpelt energiskifte. Denne operation kunne også opfylde nogle logiske funktioner." han tilføjer, at avancerede, mange-legeme-teorier vil være nødvendige for at identificere den nøjagtige sammensætning og natur af molekylære orbitaler på grund af den placeringsafhængige spidseffekt.