Die kontrollierte Nutzung magnetischer Systeme zur kohärenten Quantenspeicherung und -berechnung

Im Rahmen des NANOMAGIQC-Projekts konzentrierten sich die Forscher auf die Untersuchung des Potenzials einer Vereinigung nanotechnologischer Geräte und magnetischer Systeme, um Quanteninformationen zu erhalten und diese zu speichern. Mit Hilfe zweier Verfahren wurde versucht, magnetische Quantenbits (Qubits) in reinen Quanten-Spinzuständen auf kontrollierte Weise einzulagern.

Das erste Verfahren stützt sich auf eine neuartige, zuverlässige und einfache Methode zur Einlagerung einzelner Mn12-Moleküle auf einer Filmoberfläche. Dies umfasst die Vorbereitung dünner Nanokomposit-Filme, die aus einer Polykarbonat-Polymer-Matrix und einem Mn12-Komplex hergestellt, anhand einer Vorlage geformt und den Dämpfen eines organischen Lösungsmittels ausgesetzt werden. Das Basiskonzept hinter dieser Methode beruht auf der Kontrolle eines Aggregatzustands, bei dem Mn12-Moleküle nachgewiesen werden können, nachdem sich diese auf der Filmoberfläche gebildet haben.

Je nach Art des verwendeten Lösungsmittels können dieser Zustand und somit auch die Einlagerung magnetischer Qubits problemlos manipuliert werden. Mit Hilfe modernster Mikroskopie wird, sofern es sich um magnetische Reaktionen dreht, die homogene Raummodulation der gemusterten Aggregate von Mn12-Molekülen decodiert. Dabei umfassen die Informationen molekulare Muster, die sich innerhalb des paramagnetischen Systems in mesoskopischen bis hin zu nanometrischen Längenmaßstäben bewegen.

Erstmals ermöglicht diese innovative Methode die Einlagerung und Erkennung kleiner Aggregate und Moleküle. Dieses Verfahren bietet wichtige Vorteile, wie beispielsweise die Nutzung einer polymeren Matrix für eine gesteigerte Stabilität und die Erweiterung der mechanischen Gesamtstärke des Films. Außerdem ermöglicht es den Einsatz kommerziell bedeutsamer und technologisch interessanter Polykarbonate.

Verglichen mit anderen bieten diese Polymere eine höhere Stoßfestigkeit, Dauerstandfestigkeit und optische Klarheit sowie eine geringere Feuchtigkeitsaufnahme. Das Wichtigste ist dabei, dass sich die dünnen Nanokomposit-Filme für moderne magnetische und magneto-optische Speichertechnologien als geeignet erwiesen, da bei der Festplattenherstellung Polykarbonatharze verwendet werden.

Das zweite Verfahren ermöglicht die Bildung gemusterter Arrays von Aggregaten in Nanometergröße, die aus einigen hundert aus Mn12-Komplexen gewonnenen Einzelmolekülmagneten bestehen. Durch die Unterstützung von Prägeprozessen können großflächig selbstorganisierende gemusterte Arrays erzeugt werden, die vom Motiv der Prägeausbuchtungen bestimmt werden. Da Kapillarkräfte die kleineren Längenmäßstäbe beeinflussen, beispielsweise Größe und Entfernung der Molekularaggregate, finden in der Nähe der Ausbuchtungen Einlagerungs- und Wachstumserscheinungen statt.

Dieses Verfahren eignet sich für eine große Vielfalt molekularer Materialien und Substrate, da keine spezifischen Interaktionen erforderlich sind. Deshalb besteht ein enormes Potenzial für die Nutzung dieser nachhaltigen Musterung von Einzelmolekülmagneten zur maximalen magnetischen Speicherung und Quantenberechnung.