Am 24. März 2026 hat ein Forschungsteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bedeutende Fortschritte im Bereich der Quantenphysik und Materialforschung erzielt. Erstmals gelang es den Wissenschaftlern, Kernspins in einem molekularen Material optisch zu initialisieren, zu kontrollieren und auszulesen. Diese Entwicklung könnte weitreichende Auswirkungen auf die Quanteninformatik haben, da Kernspins als stabile Träger von Quanteninformation gelten, bedingt durch ihre geringe Wechselwirkung mit der Umgebung.
Die Ergebnisse dieser bahnbrechenden Studie wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41563-026-02539-0). Im Fokus der Forschung stand ein Molekülkristall mit Europium-Ionen, die über schmale optische Übergänge verfügen. Durch den Einsatz von Laserlicht können die Kernspins in definierte Zustände überführt und anschließend optisch ausgelesen werden. Hochfrequenzfelder spielen dabei eine wichtige Rolle, da sie die Spins vor Umwelteinflüssen schützen und deren Kontrolle ermöglichen.
Technische Details und Perspektiven
Die Wissenschaftler am KIT haben eine Kernspin-Quantenkohärenz mit einer Lebensdauer von bis zu zwei Millisekunden erreicht. Professor David Hunger hebt hervor, dass molekulare Materialien ein enormes Potenzial für Quantenbauelemente bieten. Besonders interessant ist, dass Kernspins ohne störende Elektronenspins adressiert werden können, was die Bildung stabiler Qubit-Register ermöglicht. Diese technischen Fortschritte könnten in Zukunft scalable Quantencomputer ermöglichen.
Die Molekülkristalle wurden am Institut für QuantenMaterialien und Technologien sowie am Institut für Nanotechnologie des KIT synthetisiert. Die optisch adressierbaren Kernspins deuten auf neue Möglichkeiten hin, chemisch maßgeschneiderte molekulare Systeme zu entwickeln, die atomar präzise Qubits bereithalten. Zudem könnte die optisch detektierte Kernspinresonanz (ODNMR) den Weg für neue hochauflösende NMR-Methoden ebnen.
Die Rolle der Spins in der Quanteninformatik
Ergänzend zu den Arbeiten am KIT untersucht die Abteilung für Spins in der Energieumwandlung und Quanteninformatik der Helmholtz-Zentrum Berlin die Struktur-Funktion-Beziehung von Elektronenspins in Energiematerialien und Bauelementen. Diese Forschungsrichtung hat Anwendungsgebiete in der Photovoltaik, künstlichen Photosynthese, Batterieforschung und ebenfalls in der Quanteninformatik. Ziel ist es, Prozesse zu identifizieren, die die Effizienz von Bauelementen einschränken.
Mit Methoden wie der Elektronenparamagnetischen Resonanz (EPR) und der Kernmagnetischen Resonanz (NMR) wird an der Aufklärung der Struktur und Dynamik von Molekülen gearbeitet. Ein Beispiel ist die Entwicklung der EPR-on-a-Chip (EPRoC) Technologie, die ein tragbares, leistungsfähiges EPR-Spektrometer auf einem quadratmillimetergroßen Siliziumchip ermöglicht. Diese Technologie wird für unterschiedliche Anwendungen in der Medizin, Umweltdiagnostik und Materialforschung genutzt.
Der Fortschritt im Bereich der Kernspin- und Elektronenspinforschung stellt einen bedeutenden Schritt in der Entwicklung von Quanten-technologien dar. Die Zusammenarbeit zwischen den Forschungsinstituten, unter anderem mit der Freien Universität Berlin, zeigt das gemeinsame Engagement zur Förderung innovativer Lösungen für zukünftige Herausforderungen.