Atomare Brummkreisel Neue Strategie für Quanten-Spin-Engineering vom KIT

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VON ZUR MÜHLEN'SCHE GmbH

Elektronen besitzen einen Eigendrehimpuls, den Spin, der sie zu winzigen Magneten macht. In der Quanteninformationsverarbeitung kann dieser als Quantenbit (Qubit) dienen. Das Problem: mögliche Wechselwirkungen.

Anders als klassische Bits erlaubt ein Qubit nicht nur die Zustände 0 und 1, sondern auch Überlagerungen daraus, was die Informationsdichte und Systemkomplexität deutlich erhöht. Spin-Qubits gelten daher als vielversprechende Bausteine für künftige Quantentechnologien.

Doch das Design und die Kontrolle von Spin-Strukturen auf atomarer Ebene sind herausfordernd, insbesondere das zerstörungsfreie Auslesen der Informationen. In der Zeitschrift „ Nature Communications“ stellen Forschende des KIT eine Strategie vor, die die Lebensdauer und Steuerung molekularer Spin-Qubits erheblich verbessert.

Das Problem

Der Schutz einzelner Qubits vor Wechselwirkungen mit der Umgebung ist eine der größten Herausforderungen für die Quanteninformationsverarbeitung. Für verschiedene Quantenarchitekturen wurde eine Fülle von Designstrategien entwickelt, die die Eigenschaften des Systems so verändern, dass es gegen verschiedene Wechselwirkungen resistent ist.

Ein bekanntes Beispiel ist die Entwicklung supraleitender Qubits, die sich von verrauschten Ladungsqubits zu Transmonenqubits entwickelt haben, wobei letztere eine robustere Energieniveaulandschaft aufweisen. Auch für Spin-basierte Quantenarchitekturen wurde eine Vielzahl von Designs verwendet, darunter Taktübergänge, Singulett-Triplett-Qubits in Halbleiter-Quantenpunkten oder chiralitätsbasierte Quantenzustände. Insbesondere für molekulare Spin-Qubits wurden noch größere wechselwirkende Systeme vorgeschlagen und realisiert. Üblicherweise wurden diese Spin-Systeme durch chemische Synthese ermöglicht.

Eine alternative Bottom-up-Methode zur Schaffung interagierender Spin-Strukturen ist die Synthese auf der Oberfläche, die mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie (STM) überwacht und unterstützt wird. Dazu gehören verschiedene interagierende magnetische Spin-Systeme, die nachweislich komplexe Spin-Strukturen bilden.

Es ist: schwierig

Dennoch: Die Untersuchung der intrinsischen Spin-Eigenschaften bleibt eine Herausforderung und wird bisher meist indirekt über die Wechselwirkung mit den Leitungselektronen des Substrats, das heißt: den Kondo-Effekt, untersucht. Eine praktikable Lösung für dieses Problem besteht darin, die molekularen Spins über dünne Isolatoren vom metallischen Substrat zu entkoppeln. Dies stellt jedoch eine Herausforderung für oberflächenchemische Methoden dar.

Ein direkter Weg zur Untersuchung von Spin-Eigenschaften und zur Erlangung von Einblicken in ihre Spin-Dynamik ist die Nutzung der Elektronenspinresonanz in einem Rastertunnelmikroskop (ESR-STM). Damit lassen sich verschiedene Spin-Systeme untersuchen, zum Beispiel Übergangsmetallatome, Alkaliatome, Seltenerdelemente, sowie Molekül-Spins. Außerdem lässt sich der Spin im Zeitbereich kohärent kontrollieren.

Allerdings stellt die kurze Lebensdauer der Spins in den meisten Spin-Systemen eine große Herausforderung dar (< 300 ns), wodurch auch die Phasenkohärenzzeit ≤ 1 begrenzt ist. Bei T₁-Zeiten bleibt die Hauptbegrenzung die Streuung mit nahegelegenen Tunnelelektronen, die aus den Elektronenbädern der Spitze und des Substrats stammen.

Praktikabel

Eine praktikable Strategie besteht daher darin, zu dickeren Schichten des darunter liegenden Isolators Magnesiumoxid (MgO) überzugehen oder andere Methoden wie die Rasterkraftmikroskopie anzuwenden. Eine andere Strategie besteht darin, die Spin-Systeme an sich robuster gegen Rauschquellen und Relaxation zu machen, indem man ihre magnetischen Wechselwirkungen verbessert.

In der veröffentlichen Arbeit der KIT-Forscher wird gezeigt, wie eine spitzenunterstützte Montage eines molekularen Komplexes zu einem Spin-System mit verbesserten dynamischen Spin-Eigenschaften im Vergleich zu den Bestandteilen führt. Mit anderen Worten: Für die Herstellung verwendeten die Forschenden die feine Spitze eines Rastertunnelmikroskops. In Zukunft könnten die Baukastenmoleküle die Grundlage für stabilere Einheiten für die Quantentechnologien bilden.

Der Komplex besteht aus einem Eisenphthalocyanin (FePc)-Molekül und einem zusätzlichen Fe-Atom. Letzteres bildet zusammen mit einem Teil des FePc-Liganden einen organometallischen Halbsandwich-Komplex.

Sandwiches und Lego

Das resultierende Spin-System stellt so einen Heisenberg-Quantenferromagneten mit gemischten Spins (1/2,1) dar. Der Ferrimagnet hat eine verbesserte Spin-Lebensdauer im Vergleich zu konventionellen On-Surface-Spin ½-Systemen, bis zu T₁= 1,6 µs. Dieser Anstieg wird durch die Verwendung von Spin-Transportberechnungen rationalisiert, die zeigen, dass die begrenzenden inelastischen Streukanäle durch die Korrelationen im Quanten-Ferrimagneten unterdrückt werden.

Darüber hinaus zeigen die Forscher, dass mehrere Komplexe effizient entweder ferromagnetisch oder antiferromagnetisch gekoppelt werden können, je nach ihrer relativen Ausrichtung. Professor Philip Willke vom Physikalischen Institut des KIT, übersetzt das einmal: „Zum Schutz der Quanteninformationen stellen wir eine Doppelmagnetstruktur mit zwei Eisenatomen her, die sich in einem Molekül befinden.“

Er erläutert: „Ein Eisenatom ist fest in ein Molekül eingebettet, das andere wird gezielt daran angedockt. ähnlich wie bei Lego-Bausteinen. Diese Kombination erlaubt es, nur mit einem Teil des Systems zu interagieren, während der andere Teil abgeschirmt bleibt. Dadurch wird der restliche Teil geschützt und die Lebensdauer des Spins verlängerte sich in unserem Experiment um das Fünffache.“

Und technischer: Dieser Anstieg lässt sich mit Hilfe von Spin-Transportrechnungen erklären, die zeigen, dass die begrenzenden inelastischen Streukanäle durch die Korrelationen im Quantenferromagneten unterdrückt werden. Darüber hinaus zeigt sich, dass mehrere Komplexe je nach ihrer relativen Ausrichtung effizient entweder ferromagnetisch oder antiferromagnetisch gekoppelt werden können.

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