Neue Wege in der Quantenforschung: Supramolekulare Qubit-Kandidaten nachgewiesen
Deutsch-Französisches Forschungsteam zeigt, dass supramolekulare Chemie effiziente Spin-Kommunikation durch Wasserstoffbrücken ermöglicht
Qubits sind die Grundbausteine der Informationsverarbeitung in der Quantentechnologie. Aus welchem Material sie später in technischen Anwendungen tatsächlich bestehen werden, ist eine wichtige Forschungsfrage. Molekulare Spin-Qubits gelten dabei als vielversprechende Qubit-Kandidaten für die molekulare Spintronik, insbesondere für die Quanten-Sensorik. Die hier untersuchten Materialien können durch Licht angeregt werden; dabei entsteht ein zweites Spin-Zentrum und, in weiterer Folge, ein lichtinduzierter Quartett-Zustand. Bislang ging die Forschung davon aus, dass die Wechselwirkung zwischen zwei Spin-Zentren für eine erfolgreiche Quartett-Bildung nur stark genug sein kann, wenn die Zentren kovalent miteinander verknüpft sind. Aufgrund des hohen Aufwands, kovalent-verbundene Netzwerke solcher Systeme synthetisch herzustellen, ist ihr Einsatz bei anwendungsbezogenen Entwicklungen im Bereich der Quantentechnologie stark limitiert.
Forschende des Instituts für Physikalische Chemie der Universität Freiburg und des Instituts Charles Sadron der Universität Straßburg konnten nun erstmals zeigen, dass nicht-kovalente Bindungen eine effiziente Spin-Kommunikation erlauben können. Hierfür verwenden die Wissenschaftler*innen ein Modell-System bestehend aus einem Perylendiimid Chromophor und einem Nitroxidradikal, die sich in Lösung mittels Wasserstoffbrückenbindungen selbstständig zu funktionalen Einheiten anordnen. Der entscheidende Vorteil: Die Entstehung eines geordneten Netzwerks von Spin-Qubits könnte nun über supramolekulare Ansätze erfolgen, was das Testen neuer Molekül-Kombinationen und eine Skalierbarkeit des Systems ohne großen synthetischen Aufwand ermöglicht.
„Die Ergebnisse verdeutlichen das enorme Potenzial der supramolekularen Chemie für die Entwicklung neuartiger Materialien in der Quantenforschung“, sagt Dr. Sabine Richert, die am Institut für Physikalische Chemie der Universität Freiburg forscht und dort eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe leitet. „Sie bietet innovative Wege zur Erforschung, Skalierung und Optimierung dieser Systeme. Die Erkenntnisse sind damit ein wichtiger Schritt, um neue Bauelemente für die molekulare Spintronik zu entwickeln.“
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