Quantenforschung Atom für Atom

Die Quantenmechanik ist die Theorie, welche die Naturgesetze in der Nanowelt auf der Skala von Atomen und Molekülen beschreibt und neue technologische Möglichkeiten eröffnet, beispielsweise in der Informationsverarbeitung und in der Sensorik. Philip Willke, Tenure-Track-Professor am Physikalischen Institut (PHI) des KIT, arbeitet in seinem Projekt ATOMQUANT an einer neuen, auf der Rasterkraftmikroskopie (AFM) basierenden Architektur für die Quanteninformationsverarbeitung und die magnetische Sensorik auf atomarer Ebene. Dabei spielen Spins – die elementaren Einheiten von Magneten – eine zentrale Rolle und ermöglichen, die quantenmechanischen Eigenschaften einzelner Atome und Moleküle individuell zu vermessen. Wenn Spins auf der Nanoskala ausreichend isoliert sind, können sie ihre Quanteneigenschaften lange beibehalten, das heißt lange in eine vorgegebene Richtung ausgerichtet bleiben. Willke hat sich in ATOMQUANT vorgenommen, diese magnetischen Quantenzustände auf Oberflächen um mehrere Größenordnungen zu verbessern. "Die Ergebnisse haben das Potenzial, die Quantenforschung auf die atomare Skala zu bringen und die Erforschung potenzieller Quantenbit-Systeme mit herausragenden Quanteneigenschaften in-situ und Atom für Atom zu ermöglichen", erklärt der Physiker.

Willke forscht am PHI des KIT im Grenzbereich zwischen Quantentechnologien und Nanowissenschaften. Er ist überzeugt, dass die künftigen Herausforderungen in Wissenschaft und Technik auf der grundlegenden Skala der Materie, nämlich auf der atomaren Ebene, angegangen werden müssen. Mit seinem Team nutzt er vor allem die Rastersondenmikroskopie in Kombination mit Elektronenspinresonanz, um Quantensysteme Atom für Atom aufzulösen und zu kontrollieren.