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Kernspin: Magnetischer Kern eines einzelnen Atoms gezielt angeregt
Atomkerne sind gegen ihre Umgebung weitgehend abgeschirmt und deshalb schwer gezielt anzuregen. An einem einzelnen Titanatom haben Physiker nun Übergänge zwischen Kernspinzuständen mit Radiowellen ausgelöst, obwohl Kern- und Elektronenspin kaum miteinander vermischt waren. Das könnte für die Quantentechnik wichtig werden, doch die Ursache der Anregung ist noch unklar.
Delft (Niederlande). Bestimmte Atomkerne besitzen einen magnetischen Spin, dessen Ausrichtung verschiedene Quantenzustände kennzeichnen kann. Weil der Atomkern von der Elektronenhülle weitgehend abgeschirmt wird, bleiben solche Zustände oft vergleichsweise lange bestehen. Dieselbe Abschirmung erschwert es jedoch, den Kernspin gezielt zu verändern und anschließend auszulesen.
Bei einzelnen Atomen auf Oberflächen nutzen Physiker dafür gewöhnlich die Wechselwirkung des Kernspins mit dem Spin eines Elektrons. Diese sogenannte Hyperfeinwechselwirkung verbindet beide magnetischen Systeme und macht den Zustand des Kerns indirekt messbar. Werden die beiden Spins unter einem stärkeren Magnetfeld kaum noch miteinander vermischt, ist ihre gezielte Anregung besonders anspruchsvoll.
Forscher der Delft University of Technology (TU Delft) um Dr. Jinwon Lee haben deshalb untersucht, ob sich ein einzelner Kernspin auch in diesem Bereich anregen lässt. Dazu platzierten sie Titan-47-Atome auf einer dünnen Magnesiumoxidschicht und untersuchten sie bei einer Temperatur von 0,4 Kelvin mit einem Rastertunnelmikroskop.
Die feine Spitze des Mikroskops kann elektrische Signale gezielt an ein einzelnes Atom übertragen. Das Team kombinierte zwei Hochfrequenzsignale, von denen eines den Elektronenspin und das andere den Kernspin anregte. Die sogenannte Elektronen-Kern-Doppelresonanz (ENDOR) ermöglicht es, die Kernspinzustände über Veränderungen der Elektronenspinresonanz auszulesen.
Der Kern des Titan-Isotops 47 hat sechs mögliche Spinorientierungen, die sich in sechs Elektronenresonanzlinien widerspiegeln. Bei der zusätzlichen Anregung des Kernspins veränderten sich deren Signalstärken. Aus den frequenzabhängigen Veränderungen konnten die Forscher einzelne Übergänge zwischen Kernspinzuständen erkennen, darunter Resonanzen bei ungefähr 50 und 85 Megahertz.
„Man kann das mit den Saiten einer Gitarre vergleichen. Jede mögliche Drehung des Spins ist wie eine Saite mit ihrem eigenen Ton. Man muss genau den richtigen Ton treffen, damit eine bestimmte Saite mitschwingt. Die ‚Töne‘ eines Kernspins liegen hundert- bis tausendmal tiefer als die eines Elektronenspins“, erklärt Hester G. Vennema von der Delft University of Technology (TU Delft).
Um die Rolle der Kopplung zwischen Elektron und Kern zu prüfen, veränderte das Team die Stärke des Magnetfelds von 0,2 bis 1,4 Tesla. Den Berechnungen zufolge verringerte sich dadurch die Vermischung der beiden Spinzustände ungefähr um den Faktor zehn. Trotzdem ließen sich die wichtigsten Kernspinresonanzen im gesamten untersuchten Feldbereich nachweisen.
Bei einer einfacheren Messung mit nur einem Hochfrequenzsignal verschwanden entsprechende Resonanzmerkmale dagegen bereits bei niedrigeren Magnetfeldern. Das Doppelresonanzverfahren trennt die Anregung des Kernspins von seiner Auslese über den Elektronenspin. Damit zeigt das Experiment, dass eine starke Vermischung beider Spins keine Voraussetzung für die beobachtete Kernspinresonanz ist.
„Nach unserem einfachen Verständnis dürfte das eigentlich nicht passieren. Der Kernspin sollte auf die elektrischen Signale eines Rastertunnelmikroskops überhaupt nicht empfindlich reagieren“, erklärt Prof. Sander Otte von der Delft University of Technology (TU Delft).