Ein Molekül, viele Signale: Wie Forschende Anregungen unterscheiden

Wie lassen sich quantenmechanische Zustände von Molekülen in messtechnischen Daten eindeutig voneinander unterscheiden, wenn theoretische Modelle unzuverlässig sind? Welcher spezifische Anregungsprozess liegt einem Messsignal zugrunde? Vor exakt diesen analytischen Fragestellungen stand Dr. Arnab Banerjee bei der Untersuchung einzelner Cobaltocen-Moleküle mittels Tunnelspektroskopie. Die resultierenden Spektren offenbarten eine komplexe Vielfalt von Anregungssignalen. Durch eine internationale Kooperation von Forschenden in Kiel und San Sebastian gelang es, diese Datensätze auf neuartige Weise zu entschlüsseln.

Methodik der Rastertunnelmikroskopie

Für die Untersuchungen wurde Cobaltocen auf einer Bleifläche präpariert, die bei kryogenen Temperaturen supraleitend wird. Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops wurde die metallische Messspitze so präzise an das Zielmolekül angenähert, dass Elektronen den Abstand durch Tunneleffekte überwinden konnten. Durch die Variation der Elektronenenergie und die gleichzeitige Aufzeichnung des Tunnelstroms erhielten die Forschenden aussagekräftige Spektren. Ein sprunghafter Anstieg des Stroms zeigt an, dass bei einer bestimmten Energie ein molekularer Prozess ausgelöst wird. Da jedoch zahlreiche Überlagerungen im selben Spektrum auftreten, ist die Zuordnung einzelner Peaks anspruchsvoll.

Differenzierung von Anregungsprozessen

Zur präzisen Signaldifferenzierung steuerte das Team den Elektronentransfer in und aus dem Molekül gezielt und kombinierte dies mit dem Einsatz eines starken Magnetfelds. Diese methodische Kombination ermöglicht es, die Art der Anregung – sei es eine molekulare Schwingung, das Umklappen eines Elektronenspins oder Orbitalübergänge von Elektronen – eindeutig zu bestimmen. Ergänzend wurde die räumliche Verteilung der Anregungswahrscheinlichkeit mit submolekularer Auflösung erfasst. Ein Abgleich mit aufwendigen theoretischen Rechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT und TDDFT) bestätigte die Zuordnung der Messsignale zu den jeweiligen Molekülzuständen.

Einordnung und Ausblick

„Moleküle sind Quantensysteme. Um ihre Zustände zu kontrollieren und sie möglicherweise als Bausteine von Quantencomputern zu nutzen, sind tiefe Temperaturen unabdingbar“, sagt Dr. Alexander Weismann. „Gegenwärtig erforscht die Kieler Physik im Rahmen von KiNSIS – Kiel Nano, Surface and Interface Science, Quantenphänomene an vorderster Front. Ich hoffe, dass die CAU dieses zukunftsträchtige Feld nicht aufgeben wird.“

Quelle

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (10/2026)