Schematische Darstellung einer Triangulen-Quantenspinkette, die auf einer Goldoberfläche mit der scharfen Spitze eines Rastertunnelmikroskops untersucht wird. Jede Triangulen-Einheit hat einen Gesamtspin von 1, aber Quantenkorrelationen in der Kette führen zu einer Spinfraktionalisierung, so dass die endständigen Triangulene einen Spin von ½ aufweisen.

Links: Rastertunnelmikroskopaufnahme einer Probe mit Triangulen-Quantenspinketten. Ketten mit zwei bis sieben Triangulen-Einheiten sind hervorgehoben. Rechts: Hochauflösendes Rastertunnelmikroskopbild einer zehn Einheiten langen Spinkette, in der die einzelnen Trianguleneinheiten klar aufgelöst sind. Der höhere Tunnelstrom über den endständigen Triangulen-Einheiten, der zu ihrem helleren Erscheinungsbild führt, ist auf Spin-½-Anregungen an den Kettenenden zurückzuführen. Die chemische Struktur von Triangulen ist in der eingefügten Abbildung dargestellt.

Die Empa-Forscher Shantanu Mishra, Pascal Ruffieux und Roman Fasel (von links nach rechts) an einer Ultrahochvakuum-Anlage zur Herstellung von Triangulen Spinketten.

Exotische Magnetzustände in kleinster Dimension

Publiziert

Unter der Leitung der Empa und des International Iberian Nanotechnology Laboratory gelang es einem internationalen Forscherteam erstmals, Quanten-Spinketten aus Kohlenstoff zu bauen, wie sie in der aktuellen Ausgabe von «Nature» berichten. Mittels Rastertunnelmikroskopie lieferten sie experimentelle Beweise für eines der wichtigsten Modelle des Quantenmagnetismus: die Haldane-Phase, erstmals 1983 vorhergesagt von F.D.M. Haldane, einem der drei Träger des Physik-Nobelpreises 2016. Die Ergebnisse könnten zu einem besseren Verständnis des Quanten-Magnetismus führen und einen Beitrag zum aufstrebenden Gebiet des Quantum Computing leisten.

Wir alle sind mit der Vorstellung vertraut, dass einfache Bausteine in der Natur zusammenwirken, um komplexe Strukturen zu bilden. Atome verbinden sich zu Molekülen, Moleküle verbinden sich zu Zellen, Zellen verbinden sich zu Gewebe, was schließlich zur Bildung komplexer Organismen wie dem Menschen führt. In der Quantenwelt kann dieser Prozess jedoch auch in umgekehrte Richtung laufen: Dann führen Wechselwirkungen zwischen zwei komplexen Systemen zur Entstehung einfacherer Objekte.

Quantenzauber: Quantenmagnete in zwei Hälften zerteilen

Alle Elementarteilchen haben einen "Spin", eine grundlegende Eigenschaft, die ihre Wechselwirkung mit Magnetfeldern bestimmt. Spins sind quantisiert, das heißt, sie können nur diskrete Werte annehmen. Elektronen haben den kleinstmöglichen Spin, der zwei diskrete Werte annehmen kann, während die nächst einfacheren Systeme solche sind, deren Spin drei diskrete Werte annimmt - diese werden als «Spin ½» bzw. «Spin 1» bezeichnet. In den 1980er Jahren sagte der spätere Nobelpreisträger F.D.M. Haldane voraus, dass eine Kette von aneinandergereihten Spin-1-Bausteinen «fraktioniert» sein sollte, so dass sich die letzten Einheiten der Kette wie Spin-½-Objekte verhalten. Ähnlich wie ein Zauberer, der eine Person in zwei Hälften sägt und sie dann auseinanderschiebt, teilen also Quantenkorrelationen in der Kette einen Spin 1 in zwei Spin-½-Einheiten.

Eindimensionale Magnetketten aus Molekülen zusammengebaut

Diese Vorhersage im Labor zu testen, war aus verschiedenen Gründen schwierig, vor allem, weil herkömmliche Materialien nicht eindimensional sind. Indirekte Beweise für die Spinfraktionierung wurden zwar in Kristallen aus metallorganischen Verbindungen gefunden, die solche Spin-Ketten enthalten, aber eine direkte Beobachtung des Phänomens war nicht möglich.

Nun hat ein internationales Forscherteam einen bemerkenswerten Weg gefunden, den Beweis für Haldanes fast 40 Jahre alte Theorie zu erbringen. Mittels einer Kombination organischer Chemie und Oberflächenchemie im Ultrahochvakuum hat das Team eindimensionale Spin-Ketten aus Kohlenstoff fabriziert. Als Baustein diente ein dreieckiges aromatisches Kohlenwasserstoffmolekül mit Spin 1, bekannt als Triangulen. Die Triangulen-Moleküle wurden im Ultrahochvakuum erhitzt und verbinden sich so zu ausgedehnten Molekülketten. Mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops untersuchte das Empa-Team um Roman Fasel, Pascal Ruffieux und Shantanu Mishra dann die magnetischen Anregungen dieser Ketten auf einer Goldoberfläche. Sie beobachteten, dass die jeweils äussersten Kettenglieder der Triangulen-Ketten sogenannte Kondo-Resonanzen aufwiesen – ein charakteristischer spektroskopischer Fingerabdruck von Spin-½-Quantenobjekten in Kontakt mit einer Metalloberfläche.

Von der Kette zum Netzwerk – und zum Quantencomputer?

Die Forscher sind überzeugt, dass leicht und direkt zugängliche molekulare Spinsysteme mit stark korrelierten Elektronen eine fruchtbare experimentelle Umgebung für die Entwicklung und Überprüfung neuer theoretischer Konzepte bieten werden. Nebst der Erforschung linearer Spinketten haben die Wissenschaftler vor allem auch zweidimensionale Netzwerke von Quantenmagneten im Fokus. Solche Spin-Netzwerke sind eine vielversprechende Materialplattform für das Quantum Computing.

EVENTS

Swissbau

Die führende Fachmesse der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz Sicherheits-Kongress 2020 parallel zur Swissbau - Praxisnahe Sicherheitsinformationen als Weiterbildung.

Datum: 18. - 21. Januar 2022

Ort: Basel (CH)

NORTEC

Fachmesse für Produktionstechnik und Maschinenbau

Datum: 25. - 28. Januar 2022

Ort: Hamburg (D)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 26. - 27. Januar 2022

Ort: Bern Expo (CH)

aqua pro gaz

DIE SCHWEIZER MESSE DER TRINKWASSER-, ABWASSER- UND GASFACHLEUTES

Datum: 09. - 11. Februar 2022

Ort: Bulle (CH)

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 15. - 18. Februar 2022

Ort: Nürnberg (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Stuttgart (D)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Köln (D)

Swiss Plastics Expo

Schweizer Fachmesse Kunststoffindustrie

Datum: 15. - 17. März 2022

Ort: Luzern (CH)

IKV-Kunststoffverarbeitung

International Colloquium Plastics Technology Recruiting - Networking - Innovating

Datum: 16. - 17. März 2022

Ort: Aachen (D)

LOPEC

International führende Fachmesse mit Kongress für Gedruckte Elektronik

Datum: 22. - 24. März 2022

Ort: München (D)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 04. - 08. April 2022

Ort: Frankfurt am Main (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 05. - 08. April 2022

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

Hannover Messe

Heimat der Industriepioniere Jetzt mehr denn je

Datum: 25. - 29. April 2022

Ort: Hannover (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 26. - 29. April 2022

Ort: München (D)

T4M

Die neue Messe für Medizintechnik in Stuttgart.

Datum: 3. - 5. Mai 2022

Ort: Stuttgart (D)

MedTech Summit

Kongress technologie- und marktrelevanten Themen aus der Medizintechnik- und Gesundheitsbranche

Datum: 03. - 05. Mai 2022

Ort: Online (D)

MedtecLIVE with T4M

ein Joint Venture der MT-CONNECT und Medtec Europe und TM4

Datum: 03. - 05. Mai 2022

Ort: Stuttgart/Nürnberg (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 10. - 12. Mai 2022

Ort: Online (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 30. Mai - 03. Juni 2022

Ort: München (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 01. - 02. Juni 2022

Ort: Bern (CH)

analytica

Leitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 21. - 24. Juni 2022

Ort: München (D)

Automatica

Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 21. -24. Juni 2022

Ort: München (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 30. August - 01. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 31. August - 01. September 2022

Ort: Zürich (CH)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 14. - 17. September 2022

Ort: Düsseldorf (D)

IN.STAND

Die Fachmesse für Instandhaltung und Services

Datum: 18. - 19. Oktober 2022

Ort: Stuttgart (D)

K Messe

Weltleitmesse für Kunststoff- und Kautschukindustrie

Datum: 19. - 26. Oktober 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Ifas

Fachmesse für Gesundheitsmarkt

Datum: 25. - 27. Oktober 2022

Ort: Digital (CH)

BrauBeviale

Europäische Fachmesse für die Getränkewirtschaft

Datum: 08. - 10. November 2022

Ort: Nürnberg (D)

electronica

Komponenten, Systeme, Anwendungen, Lösungen

Datum: 15. - 18. November 2022

Ort: München (D)

all4pack Paris

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 21. - 24. November 2022

Ort: Paris (F)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 29. November - 01. Dezember 2022

Ort: Düsseldorf (D)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 15. - 16. Februar 2023

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 15. - 16. Februar 2023

Ort: Zürich (CH)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 15. - 16. Februar 2023

Ort: Zürich (CH)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04. - 10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

NEWCAST

Internationale Fachmesse für Gussprodukte mit Newcast Forum

Datum: 12. - 16. Juni 2023

Ort: Düsseldorf (D)

Partec

Internationales Forum für Forschung und Entwicklung in der Partikeltechnik

Datum: 26. - 28. September 2023

Ort: Nürnberg (D)

Bezugsquellenverzeichnis