Physiker messen erstmals einzelne Spins mit Magnetresonanz 

13. Oktober 2014, 13:40
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Der Einsatz von Wechselstrom statt Radiowellen soll neues Verfahren ermöglichen

Linz/Wien - Linzer Physikern ist es erstmals gelungen, den Eigendrehimpuls (Spin) von einzelnen Atomen mittels Magnetresonanz zu messen. Bisher konnte man mit dieser Methode nur das Signal von Billionen Spins erfassen. Das neue Verfahren ermöglicht es dagegen, ein einzelnes Molekül an verschiedenen Stellen zu untersuchen, berichten die Wissenschafter im Fachjournal "Physical Review Letters".

In der Medizin liefern Magnetresonanz-Tomografen (MRT) scharfe Bilder von Gewebe und Organen. Dafür wird der physikalischen Effekt der sogenannten Kernspinresonanz genutzt: Der Körper muss in ein starkes Magnetfeld gebracht werden, wodurch sich bestimmte Atomkerne des Gewebes (Wasserstoff, Phosphor, Kohlenstoff) ähnlich wie kleine Stabmagneten ausrichten.

Hochfrequenter Wechselstrom

Diese Ordnung wird im MRT durch Radiowellen gestört, die Kerne kommen dadurch ins Taumeln. Hören die Radiowellen auf, kehren die Kerne in ihre Ausgangslage zurück. Dabei geben sie die zuvor aufgenommene Energie wieder als Radiowellen ab. Ein solches Signal von einzelnen Atomen zu erfassen, ist bisher nicht möglich. Vielmehr benötigte man ein Ensemble von mindestens einer Billion Spins, um die abgegebenen Radiowellen messen zu können.

Die Forscher um Stefan Müllegger vom Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der Universität Linz verwenden statt Radiowellen hochfrequenten Wechselstrom, um die Probe in "Unordnung" zu bringen. Der Strom wird dabei über die hauchdünne Spitze eines Rastertunnelmikroskops gezielt zu einem bestimmten Atom eines Moleküls geleitet.

Das derart angeregte Atom reagiert nicht durch Abstrahlung von Radiowellen. "Wir messen eine Erhöhung der Leitfähigkeit des Moleküls", berichtet Müllegger. Daraus lässt sich auf den Spin einzelner Atome rückschließen.

Terbium-Doppeldecker-Molekül

Für ihre Arbeit haben die Wissenschafter ein spezielles Molekül verwendet, ein sogenanntes Terbium-Doppeldecker-Molekül, zwischen dessen beiden parallelen Teilen ein einzelnes Terbium-Atom eingebettet wurde. "Alle erwarteten Messergebnisse (Anm.: von Übergängen der von Kern- und Elektronenspin beeinflussten sogenannten Hyperfeinniveaus) wurden dort gefunden, wo sie sein sollen - das hat unser Vertrauen in die Methode deutlich erhöht", so Müllegger.

Die Forscher erwarten, dass die neue Methode künftig in zahlreichen Nano-Systemen angewendet werden kann und wollen sie in weiteren Schritten an anderen Molekülen testen. Noch ist nicht im Detail bekannt, wie der Anregungsmechanismus mit Hilfe von Wechselstrom funktioniert; es seien aber bereits konkrete Anwendungen wie atomare Speicher oder Forschung an Wirkstoffmolekülen im medizinischen Bereich vorstellbar. (APA/red, derStandard.at, 13.10.2014)

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