Aktuelles: Erstmals chemische Bindungen zu künstlichen Atomen gemessen

Physiker:innen der Universit?t Regensburg ist es gelungen, erstmals chemische Bindungen zu einem künstlichen Atom zu vermessen. Ihre Ergebnisse wurden in der Online-Ausgabe der Zeitschrift Science ver?ffentlicht.

Atome bestehen aus einem sehr kleinen Kern, der von einer etwa 100.000 Mal gr??eren Elektronenhülle umgeben wird. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Elektronen haben quantisierte Energiezust?nde 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 Zust?nde 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 (siehe Bild A). Der Eisenring schlie?t 102 Elektronen ein, die Dichte der Elektronen innerhalb des Rings sieht ?hnlich aus wie die kreisf?rmige Wasserwelle, die sich bildet, wenn man einen Stein ins Wasser wirft. Die scheibenf?rmige, gewellte Verteilung der Elektronen kann man als Hülle eines künstlichen Atoms bezeichnen. Die Elektronendichte betr?gt nur etwa ein Tausendstel von der eines natürlichen Atoms, weshalb es schwierig ist, die chemischen Bindungseigenschaften dieser künstlichen Elektronenhülle zu vermessen.

Einer Gruppe von Forscherinnen und Forschern der Fakult?t für Physik an der Universit?t Regensburg ist es nun erstmals gelungen, chemische Bindungen zu einem derartigen künstlichen Atom zu vermessen: Dazu haben die Wissenschaftler:innen die Spitze eines Rasterkraftmikroskops an das künstliche Atom herangeführt und seine Bindungskraft bestimmt. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e lag bei lediglich einem Pikonewton, etwa einem Tausendstel der Kraft, die bei Bindungen zu natürlichen Atomen auftritt.

Au?erdem ist es m?glich, die Geometrie im Inneren dieser künstlichen Atome gezielt zu ?ndern. So kann man, wie in Bild B gezeigt, ein (natürliches) St?r-Atom einbauen, um zu sehen wie die Hülle des künstlichen Atoms darauf reagiert. Die St?rung verursacht zus?tzlich zu den radialen Wellen auch noch azimuthale Oszillationen, wie durch quantenmechanische Rechnungen (Bild C) best?tigt wird.

Die Ergebnisse der Regensburger Physiker:innen liefern nicht nur faszinierendes
Anschauungsmaterial für die Wunder der Quantenmechanik, sondern k?nnten darüber hinaus in Quantencomputern Verwendung finden: Denkbar w?re ihr Einsatz zum Bau von Speicherzellen, sogenannten spezifizierten Qubits.

Originalpublikation

Fabian Stilp, Andreas Bereczuk, Julian Berwanger, Nadine Mundigl, Klaus Richter, Franz J. Giessibl, ?Very weak bonds to artificial atoms formed by quantum corrals”, Science (2021).
DOI: https://doi.org/10.1126/science.abe2600 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)