Neue Impulse für molekulare Quantenvorrichtungen
Chiralität(öffnet in neuem Fenster) ist ein Prinzip in der Natur, gemäß dem Objekte, beispielsweise Moleküle, ähnlich wie linke und rechte Hände, nicht mit ihrem Spiegelbild überlagerbar sind. In der Physik wird es durch den Eigendrehimpuls, den Spin, der Teilchen belegt, der im oder gegen den Uhrzeigersinn erfolgen kann. Es ist ein Phänomen mit spannenden Auswirkungen auf bahnbrechende Innovationen. „Die Art und Weise, wie biologische Moleküle die Chiralität nutzen, um einander zu erkennen und miteinander zu interagieren, könnte dazu beitragen, den Informationsfluss zu steuern und die Rechenleistung von Quantenanwendungen zu steigern“, erklärt Roberta Sessoli(öffnet in neuem Fenster) von der Universität Florenz. Wird eine elektrische Vorspannung angelegt, kann die Chiralität durch ein Phänomen mit der Bezeichnung chiralitätsinduzierte Spinselektivität(öffnet in neuem Fenster) (CISS) ausgenutzt werden, wobei Elektronen, die durch ein chirales Medium reisen, ihr Ziel mit einer dominanten Spinrichtung erreichen. „Die Steuerung der Spinhändigkeit ist zwar relativ einfach, erfordert aber sehr starke Magnetfelder und/oder niedrige Temperaturen, was ihre Anwendung einschränkt“, erläutert Sessoli, Hauptforscherin des Projekts CASTLE, das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde.
Die Natur die Hauptarbeit erledigen lassen
Um dieser Herausforderung zu begegnen, vereinte das Projekt Teams beiderseits des Atlantiks, um Lösungen zu finden, bei denen die Natur die schwere Arbeit übernimmt. Das CASTLE-Team musste jedoch zunächst bestätigen, dass der interessierende CISS-Effekt auf die Eigenschaften der chiralen Moleküle zurückzuführen ist, aufgrund der die Elektronen fließen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts konnten die US-Teams auf europäisches Wissen und Know-how zurückgreifen und umgekehrt. Ein System wurde von der Northwestern University, einem Mitglied des Projektteams in den USA, erdacht. Bei diesem System gibt es eine molekulare Komponente, die bereitwillig Elektronen aufnimmt (der Akzeptor), und eine andere, die sie lieber abgibt (der Donator). Diese wurden mit den gegenüberliegenden Enden eines chiralen Moleküls verbunden. Wird das Molekül mit Licht bestrahlt, bewegt sich das Elektron schnell vom Donator durch das chirale Molekül zum Akzeptor, was in einer gesteuerten Rotation des Elektronenspins resultiert. „Es war nicht bekannt, ob der CISS-Effekt auf die Metallelektroden in den Vorrichtungen oder auf eine intrinsische Eigenschaft des Moleküls zurückzuführen ist“, erklärt Michael Wasielewski(öffnet in neuem Fenster), der das US-Team an der Northwestern University(öffnet in neuem Fenster) leitet. „Wir konnten schlüssig nachweisen, dass es sich tatsächlich um eine molekulare Eigenschaft handelt.“
Quantenschaltkreise herstellen
Die Nutzung von Licht, um Elektronen durch chirale Materialien zu bewegen, bietet die Chance auf die Herstellung von Quantenschaltkreise, wobei ein Netzwerk aus chiralen molekularen Komponenten zusammengesetzt wird. Da noch unklar ist, wie sich die Größe des CISS-Effekts auf den Grad der Elektronenspinrotation über eine bestimmte Entfernung auswirkt, werden gegenwärtig Instrumente zur Quantifizierung des Effekts entwickelt, wobei erste Modellierungen bereits Vorhersagen zulassen. Der multinationale und sehr kooperative Charakter von CASTLE bildete den Schlüssel zu diesen ersten Erfolgen. „Niemand von uns hätte das allein schaffen können“, betont Sessoli. Die Mitglieder des US-Teams brachten zum Beispiel wichtige Kenntnisse über den photoinduzierten Elektronentransfer und magnetische Resonanzmessverfahren ein. „Dadurch, dass die Forschenden in der Anfangsphase die relativen Stärken der verschiedenen Ansätze kennenlernen konnten, insbesondere den Schwerpunkt der Kosten-Nutzen-Analyse in den USA, wurde der eher kooperative, experimentelle europäische Ansatz ergänzt“, fügt Sessoli hinzu. Gleichzeitig konnten sich US-Forschende an einer multinationalen Anstrengung beteiligen, die das Grundlagenwissen erweitert hat.
Neue Abenteuer bei Quantenvorrichtungen
Das Team von CASTLE wird zwar keine spezifischen Vorrichtungen herstellen, sondern eher eine Anleitung für Entwürfe, aber es gibt einige eindeutige potenzielle Anwendungen. Wasielewski nennt die Quantensensorik sowie kleine Quantenprozessoren, die mit Materialien im Nanomaßstab für Vorrichtungen im Nanomaßstab vernetzt sind: „Die Physikgemeinschaft ist davon begeistert.“ Ein weiterer Bereich, der gegenwärtig erforscht wird(öffnet in neuem Fenster), ist die Nutzung des CISS-Effekts in kurzen DNS-Duplexen zur Steuerung des Spins in Computerchips. Außerdem wird ein „Paradigma der Umwandlung von Spin in Ladung“ entwickelt, das die Möglichkeit der „Spinfilterung“ oder des Anhaltens von Elektronen ohne den richtigen Spin zur besseren Steuerung in Aussicht stellt. „Die Allgegenwärtigkeit dieses Phänomens gestattet ein hohes Maß an Übertragbarkeit auf andere Gebiete wie etwa die Lichtsammlung. Da Spin überall vorkommt und Chiralität über Jahrmillionen von der Natur selektiert wurde, gibt es viele Möglichkeiten, die anhand der Kombination beider Eigenschaften erst noch gefunden werden müssen; wir könnten einige Lehrbuchdogmen neu schreiben“, schließt Sessoli.