Kleinster Schwingungssensor der Quantenwelt

Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie und französische Kollegen aus Grenoble und Strasbourg berichten nun in der Fachzeitschrift nature nanotechnology, wie sich die beiden Bausteine auf atomarer Ebene zusammensetzen lassen und ein quantenmechanisches System mit neuartigen Eigenschaften bilden.

(DOI: 10.1038/nnano.2012.258)

In dem Experiment nutzten die Forscher ein Kohlenstoffnanoröhrchen, das zwischen zwei Metallelektroden etwa einen Mikrometer weit aufgespannt war und mechanisch schwingen kann. Daran brachten sie ein organisches Molekül an, das dank eines eingebauten Metallatoms ein magnetisches Moment trug, welches sich in einem äußeren Magnetfeld ausrichten ließ.

„In diesem Aufbau konnten wir zeigen, dass die Schwingungen des Röhrchens direkt beeinflusst werden, wenn der Spin sich parallel oder antiparallel zum Magnetfeld einstellt“, erläutert Mario Ruben, Arbeitsgruppenleiter am KIT. Beim Umklappen des Spins entsteht ein Rückstoß, der an das Kohlenstoffnanoröhrchen weitergegeben wird und es in Schwingung versetzt. Die Schwingung verändert die Atomabstände des Röhrchens und damit direkt seine Leitfähigkeit, die als Maß für die Bewegung herangezogen wurde.

Die starke Wechselwirkung zwischen einem magnetischen Spin und einer mechanischen Schwingung eröffnet – neben der Bestimmung der Bewegungszustände des Kohlenstoffnanoröhrchens – einige interessante Anwendungsfelder. So ließen sich die Massen von einzelnen Molekülen bestimmen oder magnetische Kräfte im Nanobereich messen. Auch der Einsatz als Quantenbit in einem Quantencomputer wäre denkbar.

Im begleitenden Kommentarartikel in der gleichen Ausgabe von nature nanotechnologie wird unterstrichen, wie wichtig solche Wechselwirkungen in der Quantenwelt, d. h. im Bereich diskreter Energien und der Tunnelerscheinungen, sind, um in Zukunft die Vorteile der nanoskopischen Effekte auch in makroskopischen Anwendungen zu nutzen. Insbesondere könnte die Verbindung von Spin, Schwingung und Rotation auf der Nanoebene den Weg zu Anwendungen öffnen, die kein klassisches Vorbild haben und wirklich neuartige Technologie darstellen.

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