Neuer Coup mit Kohlenstoff 20.02.2013, 15:01 Uhr

Ein Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer

Ein Fremdmolekül versetzt ein Nanoröhrchen in heftige Schwingungen. Dadurch verändert sich sein Widerstand. Forscher erwarten jetzt die Realisierung von Technologien, die kein klassisches Vorbild haben.

Der Spin des Moleküls (orange) klappt um und verformt das Nanoröhrchen (schwarz), das zwischen zwei Elektroden (gold) aufgespannt ist.

Der Spin des Moleküls (orange) klappt um und verformt das Nanoröhrchen (schwarz), das zwischen zwei Elektroden (gold) aufgespannt ist.

Foto: C. Grupe/KIT

Die Zahl bahnbrechender Innovationen, bei denen Kohlenstoff in seinen unterschiedlichen Erscheinungsformen eine wichtige Rolle spielt, nimmt weiter zu. Zuletzt spielte Graphen, ein sechseckiges Kohlenstoffmolekül, eine wichtige Rolle. Jetzt ist es ein Nanoröhrchen, also ein Zylinder aus Graphen. Eins dieser winzigen Teilchen, die unter anderem von Bayer in größeren Mengen produziert werden, haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universitäten Grenoble und Straßburg zwischen zwei Elektroden aus Gold geklemmt. Der Abstand lag bei etwa einem tausendstel Millimeter. An das Röhrchen klebten sie ein Kohlenstoffmolekül, in das sie zuvor ein Metallatom geschmuggelt hatten. Dieses hatte einen so genannten Spin, also die Fähigkeit, sich in einem Magnetfeld entlang der Feldlinien auszurichten. Geschieht das schlagartig, überträgt sich die Bewegung des Atoms auf das Röhrchen. Dieses beginnt zu schwingen, das heißt, die Positionen der darin befindlichen Kohlenstoffatome zueinander verändern sich.

Nanoröhrchen leiten elektrischen Strom

Das hat Folgen. Nanoröhrchen leiten elektrischen Strom. Wenn sie in Schwingung geraten verändert sich ihr Widerstand und damit die Strommenge, die hindurchfließt. Diese Widerstandsänderung ist ein Maß für die Bewegung des Röhrchens. Jeder Änderung der Richtung des äußeren Magnetfeldes regte das Röhrchen erneut zum Schwingen an. Das eröffnet einige interessante Anwendungsfelder. So ließen sich die Massen von einzelnen Molekülen bestimmen oder magnetische Kräfte im Nanobereich messen.

Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Forschungsergebnisse in der Zeitschrift Nature Nanotechnology. Eine Würdigung in der gleichen Ausgabe unterstreicht, dass solche Wechselwirkungen in der Quantenwelt wichtig sind, um nanoskopische Effekte auch in makroskopischen Anwendungen zu nutzen. Insbesondere könnte die Verbindung von Spin, Schwingung und Rotation auf der Nanoebene den Weg zu Anwendungen öffnen, die kein klassisches Vorbild haben und eine wirklich neuartige Technologie darstellen. Vorstellbar sind etwa extrem kleine Sensoren zur Bestimmung und Analyse von Magnetfeldern. Auch der Einsatz in viel beschworene Quantencomputer wäre denkbar, das sind extrem schnelle Rechner, die auf der so genannten Quantenmechanik beruhen.

Von Wolfgang Kempkens
Von Wolfgang Kempkens

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