Die magnetischen Eigenschaften eines Moleküls kontrollieren

Computertechnologien und digitale Anwendungen sind Schrittmacher der Moderne und aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch der Energiehunger dieser Technologien ist riesig. „Radikal neue Ideen für die Datenverarbeitung wie Quantencomputing oder Spintronik, ersetzen die Informationseinheiten 1 und 0, also die Bits, durch sogenannte QuBits und setzen auf magnetische statt auf elektrische Signale. Das ist viel energieeffizienter, da magnetische Signale keinen Widerstand aufweisen“, so Dr. Lukas Veldman, Postdoc-Forscher am Institut für Funktionelle Materie und Quantentechnologien (FMQ) der Universität Stuttgart. „Quantencomputing befindet sich derzeit in einer sehr frühen Entwicklungsphase, doch die Proof of Concept Studien sind vielversprechend“, berichtet der Oberflächenphysiker.

„Bevor man magnetische Schaltkreise bauen kann, muss man erst einmal verstehen, wie sich magnetische Signale durch Materialien fortbewegen – von einem Molekül zum nächsten. Das erforschen wir hier an der Universität Stuttgart: Wir isolieren ein magnetisches Molekül und untersuchen, wie es mit seiner Umgebung interagiert. Die Wechselwirkungen folgen komplexen Gesetzen der Quantenmechanik. Wir wollen diese Gesetze vollständig beschreiben und dann nutzen, um das magnetische Moment aktiv zu steuern, Schaltkreise aus gekoppelten Molekülen zu bauen und neue Konzepte für Quantencomputer und Spintronik zu entwickeln.“

Veldman arbeitet in diesem Zusammenhang an einer Serie umfangreicher Quantenexperimente, die sich mit den Eigenschaften bestimmter magnetischer Molekülklassen beschäftigen. Experimente wie diese, bei denen man einzelne Moleküle betrachtet, sind nur dank einer noch jungen, bemerkenswerten Mikroskopietechnik möglich: Rastertunnelmikroskope zoomen so dicht heran, dass sogar einzelne Atome sichtbar werden.

„Unsere Mikroskopietechniken reagieren empfindlich auf die Quantendynamik von Atomen und Molekülen. So können wir bisher unsichtbare Details sichtbar machen und entscheidende Erkenntnisse für neuartige Technologien auf atomarer Ebene gewinnen“, so Prof. Sebastian Loth, geschäftsführender Leiter des FMQ und Fellow des Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST) in Stuttgart.

Bereits als Doktorand an der TU Delft hat der aus den Niederlanden stammende Veldman Erfahrung mit der hochspezialisierten Rastertunnelmikroskopie gesammelt – dort untersuchte er die magnetischen Eigenschaften einzelner Atome. „Die Verfahren, mit denen ich in Delft gearbeitet habe, wurden von Prof. Sebastian Loth und Dr. Susanne Baumann entwickelt. Beide arbeiten an der Universität Stuttgart. Damit war für mich klar, wo ich nach meiner Promotion weiterforschen möchte.“

Als Unterstützung für seine Stuttgarter Forschung hat Veldman ein zweijähriges Humboldt-Forschungsstipendium für Postdoktorand*innen erhalten. Mit dem renommierten Programm fördert die Alexander von Humboldt-Stiftung herausragende internationale Nachwuchswissenschaftler*innen und ermöglicht ihnen einen längeren Forschungsaufenthalt in Deutschland. Veldman hat sich ganz bewusst für die Universität Stuttgart als Gastinstitution entschieden. „Stuttgart bietet ein ideales Umfeld für Quantenforschende. Ich arbeite hier in einem hochmodernen Labor und bin Teil einer starken Quantengemeinschaft.“

In Stuttgart forscht Veldman in der Loth-Gruppe, die aus 15 Wissenschaftler*innen aus sechs Ländern besteht. „Unsere Gruppe erforscht die physikalischen Grenzen der Miniaturisierung und untersucht das Quantenverhalten in magnetischen Nanostrukturen und in Materialien mit korrelierten Elektronen“, sagt Prof. Loth. „Lukas ist ein vielversprechendes Talent im Bereich der Rastertunnelmikroskopie. Wir freuen uns, dass er Stuttgart für sein Humboldt-Stipendium gewählt hat.“