Jungforscherin bringt Quanten-Moleküle zum Leuchten

Quantentechnologien sind äusserst vielversprechend. Damit liessen sich rechenintensive Probleme in den Bereichen der Grundlagenforschung, der Medizin und der Kommunikation bewältigen. Bis sie neben bestehenden Technologien verbreitet zur Anwendung kommen können, müssen sie allerdings noch um einiges robuster werden. Denn viele Arten von Quanteneffekten machen sich erst im Nanometer-Bereich bemerkbar. Quantenforschende arbeiten daher oft mit einzelnen Molekülen, um quantenphysikalische Phänomene isoliert zu beobachten. Ein besonders vielversprechender Weg ist die Verwendung massgeschneiderter "Designermoleküle". Die Arbeit mit derart winzigen Strukturen ist aber alles andere als einfach, weiss Empa-Forscherin Eve Ammerman.

Die Physikerin forscht seit zwei Jahren im Empa-Labor "nanotech@surfaces" unter der Leitung von Roman Fasel. Das Labor ist ein Vorreiter bei der Herstellung und Verwendung von Nano-Graphen. Diese Nanometer-grossen Stückchen des zweidimensionalen Kohlenstoff-Materials Graphen besitzen ausgeprägte quantenphysikalische Eigenschaften – die sich zudem durch die Form des Moleküls kontrollieren lassen. Ammerman interessiert sich für Nano-Graphenmoleküle, die einen sogenannten Spin besitzen. Der Spin, eine quantenmechanische Form des Magnetismus, gilt als besonders interessant für Quantentechnologien. Damit liesse sich eventuell ein Qubit, die grundlegende Informationseinheit eines Quantencomputers, realisieren. Doch für eine praktische Anwendung reicht der Spin allein nicht aus: Um mit den magnetischen Nano-Graphenen zu interagieren, müssen die Forschenden die Moleküle mit anderen Komponenten verknüpfen, die beispielsweise für Input und Output sorgen.

Kommunikation mit Licht

Aber wie "verdrahtet" man ein nur einen Nanometer grosses Graphen-Stückchen? "Dieses winzige Molekül, das gerade einmal ein paar Dutzend Kohlenstoff-Atome umfasst, darf dabei nicht beschädigt werden", sagt Ammerman. Hinzu kommt ein weiteres Risiko: Interaktionen mit der Umgebung können die fragilen Quantenzustände im Nano-Graphen stören. In ihrem Forschungsprojekt geht Ammerman daher einen anderen Weg. Sie will das Spin-tragende Molekül beleuchten – wortwörtlich. Dafür verbindet sie die Nano-Graphenmoleküle mit einem sogenannten Chromophor: Einem Molekül, das Licht ausstrahlen kann. Ändert sich der Spin des Nano-Graphens, ändert sich auch das Licht des Chromophors – und dieses lässt sich kontaktlos messen. Für ihr Vorhaben hat die Forscherin nun ein zweijähriges "Empa Young Scientist Fellowship" erhalten.

Ammerman rechnet mit einigen Herausforderungen. Wie verknüpft man die beiden Moleküle, damit sie miteinander "sprechen", ohne sich in die Quere zu kommen? Wie genau müssen die Moleküle aufgebaut sein? Und wie misst man die Ergebnisse? "Obwohl es bereits einiges an Forschung sowohl zu Nano-Graphen als auch zu lichtausstrahlenden Molekülen gibt, haben wir kaum Daten dazu, was passiert, wenn man sie kombiniert", erklärt sie. In den nächsten zwei Jahre will sie diese Wissenslücke füllen – und ein Molekül-Duo entwickeln, das zu funktionalen quantenmechanischen Komponenten verarbeitet werden kann. Mit solchen Komponenten könnten etwa künftige Quantensysteme und bestehende Glasfaser-Technologien verknüpft werden. "Die Arbeit an der Schnittstelle zwischen den Grundlagen und der Anwendung fasziniert mich", sagt die Forscherin.

 
Talentförderung an der Empa

Das "Empa Young Scientist Fellowship" ist ein Förderinstrument für aussergewöhnlich begabte Nachwuchs-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler. Fellows erhalten die finanziellen Mittel, während zwei Jahren ein eigenständiges Forschungsprojekt durchzuführen. Die Fellowships werden in einem Wettbewerbsverfahren vergeben, um die Projekte mit dem höchsten Potenzial auszuwählen.

Dieser Beitrag ist zuerst auf der Website der Empa erschienen.