Die Kontrolle der internen Zustände von Quantensystemen ist eine der größten Herausforderungen bei Quantenmaterialien. Auf der tiefsten Ebene können einzelne Moleküle unterschiedliche Quantenzustände aufweisen, selbst wenn sie die gleiche Anzahl von Elektronen besitzen. Diese Zustände sind mit unterschiedlichen Elektronenkonfigurationen verbunden, was zu dramatisch unterschiedlichen Eigenschaften führen kann.
Die Möglichkeit, die elektronische Konfiguration einzelner Moleküle zu steuern, könnte zu bedeutenden Entwicklungen sowohl in der Grundlagenwissenschaft als auch in der Technologie führen. Einerseits kann die Kontrolle der inneren Zustände von Molekülen die Entwicklung neuer künstlicher Materialien mit exotischen Eigenschaften ermöglichen. Andererseits könnte es auch die ultimative Miniaturisierung klassischer Computerspeicher ermöglichen, wobei die beiden Konfigurationen es ermöglichen könnten, eine 0 und eine 1 in einer klassischen Speichereinheit auf molekularer Ebene zu codieren. Die Kontrolle der internen Zustände von Molekülen bleibt jedoch immer noch eine Herausforderung, und es wurden keine realistischen, skalierbaren Strategien zu ihrer Überwindung vorgeschlagen.
Abstimmung interner Zustände durch Anlegen einer Spannung
In einem kürzlich durchgeführten experimentellen Durchbruch demonstrierten Forscher der Aalto-Universität und der Universität Jyväskylä die Fähigkeit, die Quantenzustände einzelner Moleküle mit einem elektrisch steuerbaren Substrat zu steuern. Ihr Experiment zeigte, wie ein spezifisches zweidimensionales Material, bekannt als SnTe, die instrumentelle Strategie bereitstellt, die zur Steuerung molekularer Zustände erforderlich ist.
Der von den Forschern gezeigte Mechanismus basiert auf der Fähigkeit eines Substrats, den inneren Zustand von Molekülen aufgrund interner elektrischer Felder abzustimmen. Dieser als ferroelektrisches molekulares Schalten bekannte Mechanismus ermöglicht es Forschern, einzelne Moleküle zu steuern, indem sie lediglich eine Spannung an das Substrat anlegen. Die Strategie beruht auf der starken Abstimmbarkeit von SnTe durch externe Spannungen, die auf einer einzigartigen Quanteneigenschaft beruht, die als Ferroelektrizität bekannt ist.
Das Forschungsteam umfasste die Gruppen der Professoren Peter Liljeroth, Adam Foster und Jose Lado von der Aalto-Universität, und das Team wurde von Professor Shawulienu Kezilebieke von der Universität Jyväskylä geleitet.
„Unsere Ergebnisse zeigen, wie wir einzelne Moleküle mit elektrisch abstimmbaren zweidimensionalen Materialien steuern können. Aus praktischer Sicht waren zweidimensionale Ferroelektrika von entscheidender Bedeutung, da ihre ultrareine Grenzfläche die Umsetzung dieser Strategie der Quantenkontrolle ermöglicht. Diese Experimente wurden vorangetrieben eine Strategie zur Entwicklung von Quantenzuständen auf molekularer Ebene, die aufregende Möglichkeiten in künstlichen Materialien und der Einzelmolekülelektronik eröffnet“, sagt Kezilebieke.
„In unseren Experimenten haben wir gezeigt, wie zweidimensionale Ferroelektrika es uns ermöglichen, elektrisch schaltbare Quantenzustände zu realisieren. Die elektrische Steuerung von Quantenzuständen ist ein wichtiger Meilenstein bei Quantenmaterialien, und hier haben wir eine Strategie demonstriert, um dies auf der tiefsten Ebene einzelner Moleküle zu tun. “, sagt Ph.D. Forscher Mohammad Amini, der Erstautor der Studie.
Die Quantenkontrolle von Molekülen über Substrateffekte eröffnet neue Möglichkeiten in der Quantenmaterie, einschließlich der Entwicklung künstlicher molekularer Materialien mit schaltbaren Zuständen. Die Studie wurde kürzlich in veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.
Mehr Informationen:
Mohammad Amini et al, Kontrolle der molekularen Orbitalordnung unter Verwendung eines Van-der-Waals-Monoschicht-Ferroelektrikums, Fortgeschrittene Werkstoffe (2022). DOI: 10.1002/adma.202206456