Physiker steuern den Kern eines einzelnen Atoms und rätseln über das Ergebnis
28. Oktober 2026
Mit zwei Hochfrequenzsignalen haben Forschende der TU Delft den Kernspin eines einzelnen Atoms gezielt verändert. Das Überraschende: Der Effekt tritt auch unter Bedingungen auf, bei denen er nach dem bisherigen Modell kaum zu erwarten war. Die Entdeckung könnte für künftige Quantenspeicher interessant werden.
Der Kern eines Atoms ist winzig und von einer Elektronenhülle umgeben. Trotzdem ist es Forschenden der Technischen Universität Delft gelungen, seinen magnetischen Zustand gezielt zu beeinflussen. Dazu nutzten sie ein speziell angepasstes Rastertunnelmikroskop und elektrische Hochfrequenzsignale.
Bei dem Experiment beobachtete das Team um die Physikerin Hester Vennema einen unerwarteten Effekt: Der Kernspin ließ sich auch dann anregen, wenn er nur schwach mit dem Spin eines Elektrons gekoppelt war.
„Nach unserem einfachen Verständnis dürfte das eigentlich nicht passieren“, erklärt Forschungsleiter Sander Otte in einer Mitteilung der TU Delft vom 27. Oktober 2026. „Der Kernspin sollte überhaupt nicht auf die elektrischen Signale eines Rastertunnelmikroskops reagieren.“ Die Ergebnisse wurden am 24. Oktober im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.
Warum sich Atomkerne nur schwer beeinflussen lassen
Atome bestehen aus einem Kern und einer Elektronenhülle. Sowohl Elektronen als auch bestimmte Atomkerne besitzen eine quantenmechanische Eigenschaft namens Spin. Vereinfacht lässt sie sich mit einem winzigen Magneten vergleichen, dessen Ausrichtung sich unter bestimmten Bedingungen verändern lässt.
Allerdings unterscheiden sich die magnetischen Eigenschaften deutlich. Elektronen reagieren wesentlich stärker auf äußere Einflüsse als Atomkerne.
„Der weitaus stärkste Magnetismus stammt von den Elektronen“, erläutert Otte in der Pressemitteilung. „Aber bei manchen Atomen besitzt auch der Kern einen Spin. Der ist viel schwächer, dafür aber auch wesentlich besser von der Außenwelt abgeschirmt.“
Für die Quantentechnik ist diese Abschirmung interessant. Kernspins können bestimmte Zustände länger bewahren als Elektronenspins. Das macht sie zu möglichen Trägern von Quanteninformationen.
Die geringe Wechselwirkung hat jedoch einen Nachteil: Der Kernspin ist schwerer gezielt zu verändern und auszulesen. Wie anspruchsvoll bereits die Messung winziger magnetischer Signale ist, zeigt auch die Forschung an der TU Dresden. Dort geht es unter anderem darum, magnetische Eigenschaften einzelner Atome experimentell zu erfassen.
Zwei Funksignale für ein einzelnes Titanatom
Für ihr Experiment verwendeten die Forschenden ein Rastertunnelmikroskop. Solche Geräte besitzen eine extrem feine Metallspitze, mit der sich Oberflächen bis auf die Ebene einzelner Atome untersuchen lassen. Das Team aus Delft nutzte die Spitze zusätzlich, um elektrische Hochfrequenzsignale gezielt an ein einzelnes Titanatom zu übertragen.
Untersucht wurde das Isotop Titan-47. Sein Atomkern besitzt einen Spin, der mehrere unterschiedliche magnetische Zustände annehmen kann. Die Forschenden legten gleichzeitig zwei Hochfrequenzsignale an. Eines war auf den Elektronenspin abgestimmt, das andere auf den Kernspin. Auf diese Weise konnten sie untersuchen, wie beide auf die jeweilige Anregung reagierten.
Entscheidend ist dabei die richtige Frequenz. Nur wenn die Energie des Signals zum Abstand zwischen zwei Quantenzuständen passt, kann ein entsprechender Übergang angeregt werden. Vennema vergleicht das in der Mitteilung der TU Delft mit den Saiten einer Gitarre. Jede mögliche Spinänderung habe ihre eigene Resonanzfrequenz. Um sie auszulösen, müsse man den richtigen Ton treffen.
Die Resonanzfrequenzen von Kernspinübergängen liegen dabei in diesem Zusammenhang etwa um den Faktor 100 bis 1000 niedriger als die entsprechenden Frequenzen des Elektronenspins.
Warum die Messungen die Physiker überraschten
Normalerweise beeinflussen sich Elektronen- und Kernspin gegenseitig. Verantwortlich dafür ist die sogenannte Hyperfeinwechselwirkung. Über diese Kopplung lässt sich der Zustand eines Atomkerns indirekt untersuchen. Die Forschenden wollten herausfinden, ob sich der Kernspin auch dann gezielt anregen lässt, wenn diese Verbindung nur schwach ausgeprägt ist. Genau das gelang ihnen.
Die Messungen zeigten Kernspinübergänge auch bei geringer Vermischung der Elektronen- und Kernspinzustände. Nach dem bisherigen einfachen Modell war eine solche Reaktion auf das elektrische Signal kaum zu erwarten.
Eine weitere Eigenschaft des Titan-47-Kerns half bei der Untersuchung. Er besitzt ein elektrisches Quadrupolmoment, das mit dem elektrischen Feldgradienten seiner Umgebung wechselwirkt. Dadurch liegen bestimmte Kernspinübergänge bei unterschiedlichen Frequenzen. Die Forschenden konnten sie so getrennt erkennen und untersuchen.
Die Messungen bestätigen, dass sich einzelne Kernspinübergänge mit der lokalen Sonde anregen lassen. Noch nicht vollständig geklärt ist allerdings, welche mikroskopischen Wechselwirkungen für die überraschend starke Anregung bei schwacher Kopplung verantwortlich sind.
Was das für Quantenspeicher bedeutet
Für Quantenspeicher ist nicht nur wichtig, wie lange ein Zustand erhalten bleibt. Die gespeicherte Information muss sich auch gezielt verändern und zuverlässig auslesen lassen.
Dass Atomkerne ihre magnetischen Zustände vergleichsweise lange bewahren können, hatte die Arbeitsgruppe bereits 2025 demonstriert. Damals untersuchten die Forschenden ein einzelnes Titan-49-Atom. Sie bestimmten für einen Kernspinzustand eine Lebensdauer von 5,3 ± 0,5 s.
Das war rund zehn Millionen Mal länger als die entsprechende Relaxationszeit des Elektronenspins im selben Atom. Allerdings handelte es sich um die Lebensdauer eines magnetischen Zustands und nicht um die Kohärenzzeit eines Qubits.
In der neuen Studie mit Titan-47 gelang nun die gezielte Anregung einzelner Kernspinübergänge bei schwacher Kopplung an den Elektronenspin.
Für einen funktionsfähigen Quantenspeicher reicht das noch nicht aus. Dazu müssten die Forschenden unter anderem nachweisen, dass sich die Quantenzustände auch kohärent steuern lassen. Das bedeutet, dass nicht nur bestimmte Zustände erzeugt werden, sondern auch die empfindlichen Phasenbeziehungen zwischen ihnen kontrolliert erhalten bleiben.
Die Arbeit ergänzt damit bestehende Forschungsansätze zur Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformation. Andere Teams untersuchen beispielsweise, wie sich Quanteninformationen mithilfe künstlicher Superatome übertragen lassen. Dabei handelt es sich allerdings um ein anderes physikalisches System.
Der entscheidende Mechanismus ist noch unbekannt
Das Team aus Delft muss nun vor allem klären, warum der Kernspin so deutlich auf die elektrische Anregung reagiert, obwohl die Kopplung zum Elektronenspin schwach ist. Die experimentellen Ergebnisse liefern Anhaltspunkte für weitere Untersuchungen. Eine vollständige Erklärung des zugrunde liegenden Mechanismus steht jedoch noch aus.
„Also zurück ans Zeichenbrett“, sagt Otte in der Mitteilung der TU Delft. „So funktioniert Wissenschaft eigentlich immer. Es gibt stets etwas Neues herauszufinden.“
Quellen
- Vennema et al. (2026): Nuclear magnetic resonance on a single atom with a local probe – Nature Communications
- TU Delft (27.10.2026): Delft researchers control the magnetic core of a single atom, against expectations
- Stolte et al. (2025): Single-shot readout of the nuclear spin of an on-surface atom – Nature Communications
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