Vor genau diesen Fragen stand Dr. Arnab Banerjee, als er einzelne Cobaltocen-Moleküle mit Tunnelspektroskopie untersuchte. Die gemessenen Spektren zeigten eine verwirrende Vielzahl von Anregungen. Zusammen mit vier Kollegen in Kiel und San Sebastian (Spanien) gelang es ihm, die Daten auf eine neue Art zu entschlüsseln. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Journal „Physical Review Letters“ veröffentlicht und von den Herausgebern durch eine „Editors’ Suggestion“ hervorgehoben.

Untersucht wurde das Molekül Cobaltocen auf einer Bleifläche, die bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend wird, also Strom ohne Widerstand leitet. Dafür setzte das Team ein Rastertunnelmikroskop ein. Dessen metallische Spitze näherten sie dem Molekül so weit an, dass Elektronen den winzigen Abstand zum Molekül überwinden konnten. Indem die Forschenden die Energie der Elektronen änderten und den dabei fließenden Strom aufzeichneten, erhielten sie ein Spektrum: Sprunghaftes Ansteigen des Stroms signalisiert, dass bei der jeweiligen Energie ein Prozess im Molekül ausgelöst wird. Doch ein Sprung allein verrät noch nicht, welcher Prozess genau dahintersteckt, und besonders verwirrend wird es, wenn viele verschiedene Anregungen im selben Spektrum auftreten.

Um die Signale zu unterscheiden, beförderte das Team Elektronen in das Molekül hinein und heraus und untersuchte zusätzlich die Wirkung eines starken Magnetfelds. Beides zusammen zeigt die Art der Anregung, sei es eine Schwingung des Moleküls, ein Umklappen eines Elektronenspins oder das Hüpfen eines Elektrons zwischen verschiedenen Orbitalen.

Die Messungen zeigen nicht nur, bei welchen Energien Anregungen auftreten. Auch die räumliche Verteilung der Anregungswahrscheinlichkeit wurde mit submolekularer Auflösung bestimmt. Durch einen Vergleich mit den Ergebnissen aufwendiger Rechnungen (Dichtefunktionaltheorie, zeitabhängige Erweiterung TDDFT) wurde die Zuordnung der Messsignale zu den beteiligten Molekülzuständen weiter bestätigt. 

„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, Mitautor der Studie. “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.“