Forschung

Erstmals chemische Bindungen zu künstlichen Atomen gemessen

18.05.2021 - Rasterkraft-Mikroskopie untersucht die Bindungs-Eigenschaften des Quantencorrals.

Die Elektronen in Atomen haben quantisierte Energie­zustände und bestimmen die mechanischen, elektro­nischen und optischen Eigen­schaften der Materie. Künstliche Atome sind vom Menschen geschaffene Strukturen, die ebenfalls eine gewisse Zahl von Elektronen in quantisierte Zustände bringen. Ein Beispiel eines künstlichen Atoms ist der bereits 1993 von Crommie, Lutz und Eigler vorgestellte Quanten­corral, ein Ring gebaut aus 48 Eisen­atomen auf einer Kupfer­unter­lage mit einem Durch­messer von 14 Nano­metern. Der Eisen­ring schließt 102 Elektronen ein.

Die Dichte der Elektronen innerhalb des Rings sieht ähnlich aus wie die kreis­förmige Wasser­welle, die sich bildet, wenn man einen Stein ins Wasser wirft. Die scheiben­förmige, gewellte Verteilung der Elektronen kann man als Hülle eines künstlichen Atoms bezeichnen. Die Elektronen­dichte beträgt nur etwa ein Tausendstel von der eines natür­lichen Atoms, weshalb es schwierig ist, die chemischen Bindungs­eigen­schaften dieser künst­lichen Elektronen­hülle zu vermessen.

Einer Gruppe von Forschern der Uni Regensburg ist es jetzt erstmals gelungen, chemische Bindungen zu einem derartigen künst­lichen Atom zu vermessen. Dazu haben die Wissen­schaftler die Spitze eines Raster­kraft­mikro­skops an das künstliche Atom heran­geführt und seine Bindungs­kraft bestimmt. Diese lag bei lediglich einem Pikonewton, etwa einem Tausendstel der Kraft, die bei Bindungen zu natürlichen Atomen auftritt.

Außerdem ist es möglich, die Geometrie im Inneren dieser künstlichen Atome gezielt zu ändern. So kann man ein natürliches Stör-Atom einbauen, um zu sehen, wie die Hülle des künstlichen Atoms darauf reagiert. Die Störung verursacht zusätzlich zu den radialen Wellen auch azimutale Oszilla­tionen, wie durch quanten­mechanische Rechnungen bestätigt wird.

Die Ergebnisse des Teams liefern nicht nur faszinie­rendes Anschauungs­material für die Wunder der Quanten­mechanik, sondern könnten darüber hinaus in Quanten­computern Verwendung finden: Denkbar wäre ihr Einsatz zum Bau von spezi­fi­zierten Qubits.

U. Regensburg / RK

Weitere Infos