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Steuerring statt Steuerrad Winzige Kohlenstoffringe kontrollieren Quantenzustände

Quelle: Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg 2 min Lesedauer

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Mithilfe von nur wenigen Nanometer messenden Kohlenstoffringen lassen sich Quantenzustände präzise steuern, wie Forscher jetzt beweisen können ...

Das ist ein winziges donutartiges Kohlenstoffmolekül. Es entwickelt unter elektrischer Spannung stabile toroidale Momente, auf die sich die Welt des Quantencomputings freuen dürfte, wie Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg glauben ...(Bild: MLU)
Das ist ein winziges donutartiges Kohlenstoffmolekül. Es entwickelt unter elektrischer Spannung stabile toroidale Momente, auf die sich die Welt des Quantencomputings freuen dürfte, wie Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg glauben ...
(Bild: MLU)

Dass nur Nanometer große Kohlenstoffringe Quanten kontrollieren können, macht das eine bisher kaum nutzbare Klasse elektromagnetischer Dipole möglich. Genauer gesagt, handelt es sich um sogenannte toroidale Momente. Und Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben nun mit Computersimulationen einen Weg gefunden, diese in Nanostrukturen verlustfrei zu erzeugen und sie auch noch zu kontrollieren, wie man erfahren darf. Die im Fachjournal „npj Computational Materials“ veröffentlichten Ergebnisse lassen auf neue Perspektiven für die Quantencomputertechnologie hoffen. Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt. Schauen wir uns das mal näher an:

Es gibt nicht nur elektrische und magnetische Dipole

In der Physik unterscheidet man zwei bekannte Dipolarten: Elektrische Dipole, die elektrische Signale bei einer Batterie oder Antenne erzeugen und magnetische Dipole – etwa eine stromdurchflossene Spule oder ein üblicher Stabmagnet. Aber außer diesen klassischen Dipolen existiert eben noch eine dritte Art der Ladungs-Strom-Verteilung, die bisher auf molekularer Ebene nur schwer machbar ist: Die oben schon erwähnten, toroidalen Dipole. Die MLU-Forscher erklären das so: Eine stromdurchflossene Spule schließt ja ein Magnetfeld ein, das außerhalb der Spule verschwindet. Verbindet man die Enden der Spule aber, entsteht ein toroidales System, das ladungsneutral ist und keine äußeren elektrischen oder magnetischen Felder erzeugt.

In winzigen „Donuts“ wirbeln Elektronen in 3D

Bisher war in der Forschung zwar bekannt, dass stabile toroidale Momente existieren können. Wie man sie im Nanobereich erzeugen und steuern kann, war jedoch unklar, wie es weiter heißt. Denn es treten Probleme auf, wenn man diese auf die Nanoskala verkleinern will. Klassische toroidale Spulen funktionieren demnach bisher nur gut, solange sie groß genug sind – etwa mit einem Radius von einem Zentimeter. Wird die Spule aber zu klein, fließt der Strom nicht effizient im Kreis, sondern nur mit hohen Verlusten, so die Experten. Mit Computersimulationen konnten sie aber zeigen, wie toroidale Momente in sogenannten Nanotori erzeugt werden können. Dabei handelt es sich um ringförmige Strukturen aus Kohlenstoffatomen, die wie winzige Donuts aussehen. Legt man an diese Strukturen ein konstantes elektrisches Feld an, bewegen sich die Elektronen in einem 3D-Wirbel um den Ring und bilden so ein toroidales Moment. Sie ließen sich nicht nur verlustfrei erzeugen, sondern auch kontrollieren, antreiben und umschalten.

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