Richtungsweisendes Molekül auf dem Weg in den Quantencomputer

Forschende der Universität Jena und Universität Florenz entwickeln Kobaltverbindung mit besonderen Quanten-Eigenschaften.

In Quantencomputern werden keine elektrischen Schaltkreise ein- oder ausgeschaltet, sondern stattdessen quantenmechanische Zustände verändert. Dafür braucht es geeignete chemische Verbindungen. Einem Forschungsteam der Universität Jena und der Universität Florenz ist es nun gelungen, eine solche Verbindung herzustellen. Das Besondere daran: Ihre quantenmechanischen Eigenschaften sind unterschiedlich, je nachdem aus welcher Richtung auf die Verbindung geschaut wird.

„Richtungsweisende“ Eigenschaften

„Wenn ich einen Kristall in der Hand halte und aus verschiedenen Perspektiven betrachte, dann sieht er auf jeder Seite anders aus“, erklärt Benjamin Kintzel, der die Substanz am Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Jena hergestellt hat. „Deswegen war es auch so ein Erfolg, tatsächlich Kristalle der neuen Verbindung herzustellen und untersuchen zu können. Die Moleküle in einem Kristall sind regelmäßig angeordnet. Deshalb sind auch die quantenmechanischen Eigenschaften der Moleküle abhängig davon, wie der gesamte Kristall im Raum orientiert ist. Durch die unterschiedliche Orientierung im Raum und den entsprechenden Blickwinkel ist es möglich, die besonderen quantenmechanischen Effekte genau und von allen Seiten zu untersuchen.“

Elektrisch steuerbare Quantenbauteile

Der Effekt, den das Team um Prof. Dr. Winfried Plass von der Universität Jena untersuchte, war die magnetische Wechselwirkung zwischen den Elektronen dreier Kobalt-Atome, die in dem neuartigen Molekül zu einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind. Darüber berichten sie in der renommierten Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“.

„Grob vereinfacht gesagt, sind Elektronen elektrisch geladene Quanten-Teilchen, die sich bewegen“, beschreibt Plass die verwendete Methode, die auch Elektronenspin-Resonanz genannt wird. „Ihre quantenmechanischen Zustände können durch magnetische Felder geschaltet werden. Das lässt sich auch bei Elektronen untersuchen, die sich in Molekülen befinden. Nicht nur das: Wir können diese Eigenschaft unter bestimmten Bedingungen durch das Anlegen von elektrischen Feldern steuern. Um sie künftig als Recheneinheit in einem Quantencomputer einzusetzen, ist das ein entscheidender Vorteil, denn die Technik, um elektrische Felder gezielt anzulegen, ist weit entwickelt.“

Kintzel ergänzt: „Es ist aber nicht so, dass in so einem Computer dann einfach ein Kristall stecken würde. Einzelne Moleküle würden genügen, die auf einer Oberfläche entsprechend angeordnet – und in unserem Fall auch räumlich orientiert – wären. Hieraus ließen sich noch einmal völlig neue Eigenschaften erschließen.“ Solche Perspektiven können nun anhand der neuen Kobaltverbindung genauer untersucht und verstanden werden.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Winfried Plass
Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Humboldtstraße 8
07743 Jena
Tel.: 03641 9-48130
E-Mail: sekr.plass[at]uni-jena.de

Originalpublikation:

B. Kintzel, M. Fittipaldi, M. Böhme, A. Cini, L. Tesi, A. Buchholz, R. Sessoli, W. Plass: Spin‐Electric Coupling in a Cobalt(II)‐Based Spin Triangle Revealed by Electric Field‐Modulated ESR, Angewandte Chemie International Edition (2021). DOI: 10.1002/anie.202017116

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