Spins unter der Quanten-Lupe
Die CarboQuant-Physikerin Yujeong Bae konnte dank der Finanzierung durch die WSS zwei neue Rastertunnelmikroskope zu «Quanten-Lupen» umbauen. Damit lassen sich die quantenphysikalischen Eigenschaften von CarboQuants Graphen-Nano-bändern untersuchen und manipulieren.
Im Juni 2024 konnte das CarboQuant-Team in die neuen Laborräume an der Empa in Dübendorf (Schweiz) einziehen – gerade rechtzeitig, um die beiden neuen, von der Werner Siemens-Stiftung (WSS) mitfinanzierten Rastertunnelmikroskope (RTM) dort aufzubauen. Damit die Forschenden die neue Top-Infrastruktur optimal für ihre Quantenexperimente nutzen konnten, mussten die RTM erst für ihre spezifischen Aufgaben aufgerüstet werden. Die südkoreanische Physikerin Yujeong Bae, seit Januar 2024 bei CarboQuant, nahm sich der äusserst anspruchsvollen Aufgabe an.
Yujeong Bae leitet die Gruppe für Quantenmagnetismus am nanotech@surfaces-Labor der Empa, dem der CarboQuant-Co-Leiter Roman Fasel vorsteht. Bae ist eine der weltweit wenigen RTM-Spezialistinnen, die sowohl die «Maschine» bis ins letzte Detail kennen, als auch komplexe Experimente mit einzelnen Spins auf Oberflächen damit durchzuführen wissen.
Dank dieser «Doppelbegabung» schaffte es Bae, das eine der beiden neuen Rastertunnelmikroskope in nur gerade vier Monaten zu einem veritablen «Rolls-Royce» umzubauen, der höchst präzis und leistungsstark Nanomaterialien in atomarer Auflösung abtasten kann. Eine spezielle Verkabelung erlaubt es, im RTM-«Rolls-Royce» elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von mehreren Gigahertz einzuspeisen. «Solch extrem hochfrequenten Mikrowellen schaffen normale Rastertunnelmikroskope nicht», kommentiert Roman Fasel.
Via Mikrowellen in die Quantenwelt
Das Sensationelle daran ist jedoch, dass die Mikrowellen zu einer kleinen Antenne geleitet werden, die ein Mikrowellenfeld zwischen der Scanner-Spitze des RTM und der Probe erzeugt. «Nur so können wir mittels Elektronenspinresonanz mit einzelnen Spins in Wechselwirkung treten und diese manipulieren», erklärt Bae. «Mit normaler Rastertunnelmikroskopie sind solche Quantenexperimente nicht möglich.»
«Das ist ein grosser Meilenstein für CarboQuant», sagt Oliver Gröning, Co-Leiter des Forschungsprojekts, «Yujeong hat es in Rekordzeit geschafft, den enorm komplizierten Aufbau des Rastertunnelmikroskops zu realisieren und den Machbarkeitsnachweis der Quantenexperimente an einer unserer wichtigsten Molekülstrukturen zu erbringen.»
Das zweite der beiden neuen RTM ist kompakter und etwas weniger leistungsstark. Dafür ist es einfacher zu bedienen. Bae trainiert verschiedene CarboQuant-Gruppen darin, ihre Elektronenspinresonanz-Experimente selbstständig durchzuführen.
Kontrolle einzelner Spins
Seit Sommer 2025 untersucht das Team nun die Graphen-Nanobänder, die es in den letzten zehn Jahren synthetisiert hat, auf deren quantenmechanische Eigenschaften hin. Mit dem hochgerüsteten RTM kann jeder einzelne Elektronenspin analysiert und gesteuert werden. «Das dabei gewonnene Verständnis ist die unabdingbare Voraussetzung für eine technologische Umsetzung», betont Gröning.
Nun können die verschiedenen CarboQuant-«Entwicklungsstränge» nach und nach zusammengeführt werden. Die Gruppen Materialentwicklung, elektronische Charakterisierung, atomistische Simulation und RTM-Quantenoptik suchen gemeinsam nach der optimalen Messstrategie, mit der sich unterschiedlichste Nanostrukturen ohne langwierige Anpassungen mit den neuen RTM-Systemen untersuchen lassen. Bae schätzt den Austausch über die fachlichen Grenzen hinweg sehr. «Wir können sehr kreativ vorgehen beim Verfolgen der Ziele von CarboQuant», lobt sie.
Im Mai 2025 konnte die Forschungsgruppe einen weiteren grossen Erfolg vermelden. Als weltweit Erste gelang es ihr, das sogenannte eindimensionale homogene Heisenberg-Modell herzustellen und seine Eigenschaften präzise zu vermessen. Die Autoren eines «News&Views»-Artikels im renommierten Fachmagazin «Nature Materials» kommentierten begeistert: Damit eröffne sich «ein grenzenloses Spielfeld für das Design und die Kontrolle von Quantensystemen, welche zweifellos viele Durchbrüche hervorbringen werden».
Im Sommer 2025 das nächste Glanzlicht, publiziert in «Nature Chemistry»: Die Forschenden schafften es, an eines ihrer Graphen-Nanobänder organische Porphyrin-Moleküle mit funktionellen Metallzentren zu binden (Chlorophyll oder Hämoglobin sind Beispiele für Porphyrine). Das entstandene Hybrid-Nanomaterial ist vielversprechend. «Es weist sowohl den besonderen, delokalisierten Magnetismus unserer Kohlenstoff-Nanobänder auf als auch den konventionelleren, lokalisierten Magnetismus von Metallatomen», führt Oliver Gröning aus.
Der korrelierte Magnetismus der neuen Graphen-Nanobänder gilt als vielversprechend für quantentechnologische Anwendungen, in denen der dem Magnetismus zugrunde liegende Spin als Informationsträger (Qubit) fungiert. Genau das schwebt den CarboQuant-Leitern vor: «Unser Graphen-Nanoband mit den Porphyrinen könnte als eine Reihe von miteinander vernetzten Qubits funktionieren.»
