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 Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Im Focus: Quantensensoren entschlüsseln magnetische Ordnung in neuartigem Halbleitermaterial

Physiker konnte erstmals eine spiralförmige magnetische Ordnung in einem multiferroischen Material abbilden. Diese gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Datenspeicher. Der Nachweis gelang den Forschern mit selbst entwickelten Quantensensoren, die elektromagnetische Felder im Nanometerbereich analysieren können und an der Universität Basel entwickelt wurden. Die Ergebnisse von Wissenschaftlern des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel sowie der Universität Montpellier und Forschern der Universität Paris-Saclay wurden in der Zeitschrift «Nature» veröffentlicht.

Multiferroika sind Materialien, die gleichzeitig auf elektrische wie auch auf magnetische Felder reagieren. Die beiden Eigenschaften kommen für gewöhnlich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungen

Biowissenschaftler tauschen neue Erkenntnisse über molekulare Gen-Schalter aus

19.09.2017 | Veranstaltungen

Zwei Grad wärmer – und dann?

19.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Zentraler Schalter der Immunabwehr gefunden

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Materialchemie für Hochleistungsbatterien

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie