Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanomagnete im Gleichschritt - Moleküle als Bausteine für Quantencomputer?

09.10.2008
Die Quantentheorie hat vor hundert Jahren die Physik revolutioniert; nun soll sie Einzug in unsere Computer halten. Ihre Möglichkeiten reichen weit über die klassische Physik hinaus und führten zur Entwicklung neuartiger Rechenmethoden.

Mit diesen Algorithmen ist es möglich, spezielle Probleme anzupacken, die mit klassischen Computern unlösbar sind. An der Verwirklichung eines solchen Quantencomputers wird auf den verschiedensten Wegen weltweit intensiv gearbeitet. Ein viel versprechender Ansatz verwendet als kleinste Bauteilchen molekulare Nanomagnete. Wissenschaftlern vom 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist es nun zum ersten Mal gelungen, an Molekülen mit großem Spin (einer Art Kreisel) nachzuweisen, dass die Moleküle für Sekundenbruchteile im Gleichschritt laufen*). Diese als Quantenkohärenz bezeichnete Eigenschaft könnte der Startschuss sein, um den Quantencomputer schnell zu realisieren.


Struktur des verwendeten Moleküls mit der Spinrichtung der vier Eisenatome. Durch einen Mikrowellenpuls werden die Spins um bestimmte Winkel gekippt. Quelle: 1. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart

Eine der größten Herausforderungen beim Bau eines Quantencomputers ist das Material, aus dem die Bits gemacht werden. Denn die quantenmechanischen Zustände, die während des Rechenvorgangs verwendet werden, müssen lange genug stabil sein. Sonst geht die Information verloren, bevor die Berechnung abgeschlossen ist - wie bei einem Rechenbrett aus Eiswürfeln, die unter den Fingern schmelzen. Solche stabilen Zustände können beispielsweise mit Hilfe von Elektronen realisiert werden, denn diese kleinen Teilchen besitzen die quantenmechanische Eigenschaft des 'Spins'. Ein wirklicher Computer kann jedoch nicht aus einzelnen Elektronen bestehen. Andererseits sind in realen Materialien die Quanteneigenschaften nur sehr schwer zu beobachten.

Das von der Stuttgarter Forschergruppe verwendete Material ist ein so genannter Einzelmolekülmagnet. Das Einzigartige an diesen komplexen, aber trotzdem kleinen und reproduzierbar herstellbaren Teilchen besteht darin, dass jedes Molekül für sich bereits magnetische Eigenschaften besitzt. Diese erhält es durch magnetische Ionen, welche an festen Plätzen im Molekül sitzen. Die Elektronen der einzelnen Ionen stehen untereinander in Wechselwirkung; wodurch sich bei niedrigen Temperaturen ein Zustand mit einem stabilen Spin einstellt. Für ihre Experimente verwendeten die Physiker ein neuartiges Molekül mit vier Eisenionen. Ihr stabiler Spin ist zehnmal größer als der eines Elektrons und kann verschiedene Zustände mit unterschiedlicher Energie einnehmen.

Die Moleküle wurden mit extrem kurzen Mikrowellenpulsen beschossen. Wie bei einem Gewehrschuss in den Bergen ist dabei ein Echo zu hören, aus dessen Stärke man darauf schließen kann, wie sich die Spins in der Zwischenzeit verhalten haben. Bei diesen Versuchen wurde deutlich, dass die Spins in den Molekülen für Sekundenbruchteile im Gleichschritt laufen. Diese als Kohärenz bezeichnete Eigenschaft ist vergleichbar mit dem Verhalten des Laserlichts, das diesem seine besonderen Eigenschaften verleiht. Zusätzlich wurden sogenannte Rabi-Oszillationen gemessen: Anschaulich gesprochen wurden die Spins der Moleküle dabei gleichzeitig um bestimmte Winkel gedreht. Es war sogar möglich, mehrere vollständige Rotationen durchzuführen, was man bislang für unmöglich hielt.

Bevor ein wirklicher Quantencomputer mit molekularen Magneten gebaut werden kann, müssen allerdings noch weitere Hürden genommen werden. Zuerst müssen die Moleküle auf einer Oberfläche angeordnet werden. Dann müssen sie einzeln adressiert, programmiert und ausgelesen werden. Prinzipiell ist dies möglich, bisher benötigt man aber noch eine große Anzahl von Molekülen, um das Mikrowellenecho 'hören' zu können.

*) Veröffentlichung: Christoph Schlegel, Joris van Slageren, Maria Manoli, Euan
K. Brechin und Martin Dressel: Direct observation of quantum coherence in single-molecule magnets, Physical Review Letters, vol. 101, no. 147203 (3rd October 2008)
Weitere Informationen bei Prof. Dr. Martin Dressel und PD Dr. Joris van Slageren, 1. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-64947, e-mail:

dressel@pi1.physik.uni-stuttgart.de, slageren@pi1.physik.uni-stuttgart.de

Ursula Zitzler | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft
24.05.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten