Cobaltocen im Tunnelblick: Wie Kieler Forschende Quantenzustände auseinanderhalten
Am 14. Oktober 2026 geht es an der Uni Kiel um ein Molekül, das im Messgerät gleich mehrere Geschichten erzählt: Dr. Arnab Banerjee hat einzelne Cobaltocen-Moleküle mit Tunnelspektroskopie untersucht. Die Frage war, wie sich verschiedene Quantenzustände und die dazugehörigen Anregungsprozesse in Messsignalen auseinanderhalten lassen – obwohl theoretische Modelle in diesem Bereich teilweise unzuverlässig sind.
Die Spektren waren zunächst alles andere als übersichtlich. Zahlreiche Peaks tauchten auf, doch ihre Ursachen blieben unklar. Gemeinsam mit vier Kollegen aus Kiel und San Sebastián entwickelte das Team eine Methode, um die Signale den jeweiligen Molekülzuständen zuzuordnen. Die Studie erschien in „Physical Review Letters“ und wurde von den Herausgebern als „Editors’ Suggestion“ ausgezeichnet.
Ein Molekül, viele mögliche Prozesse
Untersucht wurde Cobaltocen auf einer Bleifläche, die bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend wird. Ein Rastertunnelmikroskop brachte eine metallische Spitze so nahe an das Molekül, dass Elektronen zwischen Spitze und Molekül tunneln konnten. Verändert man die Elektronenenergie und misst dabei den Tunnelstrom, entsteht ein Spektrum.
Ein sprunghafter Stromanstieg zeigt, dass bei einer bestimmten Energie ein Prozess im Molekül ausgelöst wird. Mehr verrät ein einzelner Peak zunächst nicht. Es könnte sich um eine Molekülschwingung handeln, um das Umklappen eines Elektronenspins oder um den Übergang eines Elektrons zwischen verschiedenen Orbitalen. Moleküle können mehrere Quantenzustände annehmen; dadurch überlagern sich unterschiedliche Effekte in einem Spektrum.
Das Team injizierte Elektronen in das Molekül und entfernte sie wieder. Zusätzlich untersuchten die Forschenden, wie sich die Signale unter einem starken Magnetfeld veränderten. Zum Einsatz kamen Tunnelspektroskopie, Messungen bei unterschiedlichen Elektronenenergien zwischen metallischer Spitze und Molekül, Magnetfeldmessungen sowie theoretische Berechnungen. So ließen sich die verschiedenen Anregungstypen auseinanderhalten. Die Messungen zeigten außerdem mit submolekularer Auflösung, wo im Molekül die Wahrscheinlichkeit für eine Anregung besonders groß ist.
Aufwendige Rechnungen mit Dichtefunktionaltheorie und zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie bestätigten die Zuordnung der Messsignale zu den beteiligten Molekülzuständen. Das ist Grundlagenforschung, kein unmittelbar einsetzbares Bauteil für einen Quantencomputer. Laut Mitautor Alexander Weismann sind tiefe Temperaturen aber nötig, um Quantenzustände von Molekülen zu kontrollieren und sie möglicherweise einmal als Bausteine von Quantencomputern einzusetzen. Ob und wann daraus praktische Anwendungen entstehen, ist offen. Ein besseres Verständnis molekularer Zustände kann laut der Universität dennoch für die Entwicklung von Quantentechnologien relevant sein.
Was im Tunnelstrom steckt
Das Rastertunnelmikroskop – kurz RTM oder STM – gehört zur Rastersondenmikroskopie. Es bildet Flächen gleicher elektronischer Zustandsdichte ab, nicht einfach nur eine Oberfläche wie eine winzige Kamera. Zwischen einer leitenden Spitze und einer leitenden Probe liegt eine elektrische Spannung. Ist der Abstand klein genug, typischerweise im Nanometerbereich, fließt trotz einer Potentialbarriere ein messbarer Tunnelstrom.
Dabei geht es wirklich um winzige Distanzen: Der Tunnelstrom nimmt exponentiell mit dem Abstand zwischen Spitze und Oberfläche ab. Näherungsweise gilt Itun ∼ exp(−10,25√(Φ/eV) d/nm). Bei einer Austrittsarbeit von 5 eV verändert eine Abstandsänderung von 0,1 nm den Strom ungefähr um den Faktor 10. Ein kleiner Ruck, und das Signal sieht schon anders aus.
Beim klassischen Abrastern führt die Spitze Zeile für Zeile über die Probe; aus dem aufgezeichneten Tunnelstrom entsteht eine zweidimensionale Höhentopografie konstanter Elektronendichte. Atomare Strukturen werden sichtbar, doch das Bild stellt nicht ausschließlich die geometrische Topografie dar. Es überlagert die Form der Oberfläche mit ihren elektronischen Eigenschaften.
Direkt untersuchen lassen sich elektrisch leitende Proben wie Metalle, Halbleiter und Supraleiter. Nichtleitende Materialien brauchen eine leitende Schicht, etwa aus Graphit, Chrom oder Gold, oder müssen als sehr dünne Schicht auf einem leitenden Substrat liegen. Typische Tunnelströme reichen von etwa 1 pA bis 10 nA. Der übliche Abstand von Spitze und Probe beträgt 0,5 bis 1 nm und muss auf weniger als 1 Prozent stabilisiert werden, weil schon Hundertstel-Nanometer das Signal deutlich verändern.
Darum wird an mehreren Stellen gedämpft und isoliert: Thermische Isolation verhindert Abstandsänderungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen. Akustische Isolation reduziert Schallwellen und Signalstörungen über Kabelkapazitäten. Mechanische Isolation – etwa durch Luftfedern, Federaufhängungen, aktive Dämpfung oder magnetische Wirbelstrombremsen – hält Gebäudeschwingungen fern. Wirbelstrombremsen dämpfen vor allem schnelle Schwingungen über 1 kHz, aktiv geregelte Systeme eher niederfrequente Gebäudeschwingungen unter 1 Hz, wie sie in höheren Stockwerken auftreten.
Von Bardeen bis zum Spin einzelner Atome
Für die Interpretation solcher Messungen gibt es eine lange Theoriegeschichte. John Bardeen erklärte 1961 den Tunneleffekt zwischen durch eine Oxidschicht getrennten Metallen. Die Tersoff-Hamann-Theorie vernachlässigt den detaillierten Einfluss der Spitze und verbindet das Signal mit der lokalen elektronischen Zustandsdichte. C. Julian Chen erweiterte diesen Ansatz auf komplexere Spitzengeometrien.
Die Tunnelspannung liegt typischerweise zwischen wenigen Millivolt und einigen Volt. Bei Raumtemperatur setzt das thermische Rauschen der unteren Spannungsgrenze ungefähr bei 50 mV Grenzen. Ab etwa 2 V können kurzzeitige Stromspitzen auftreten, die die Oberfläche beschädigen. In Vakuum und bei tiefen Temperaturen sind Spannungen über 100 V möglich; dann kann der Tunnelstrom in einen Feldemissionsstrom übergehen.
Oxidationsanfällige Materialien wie Kupfer, Silicium oder Silber werden deshalb meist im Ultrahochvakuum untersucht. Unter Normalbedingungen geeignete leitfähige Schichtkristalle sind Graphit, Molybdändisulfid (MoS₂), Tantalsulfid (TaS₂) und Tantalselenid (TaSe₂). Bei solchen Schichtkristallen entstehen atomar glatte Oberflächen, indem die obersten Schichten mit Klebeband abgezogen werden – ein erstaunlich unspektakulärer Handgriff für Messungen, bei denen es auf Atome ankommt.
Bewegt wird die Spitze meist mit piezoelektrischen Keramiken im Sub-Nanometer-Bereich. Häufige Spitzenmaterialien sind Wolfram, Platinlegierungen und Gold; meist werden die Spitzen elektrolytisch geätzt. Angelegt wird eine Spannung zwischen Probe und Spitze, anschließend fließt der Tunnelstrom. Im Constant-Height-Mode folgt die Spitzenhöhe einem vorgegebenen Profil, ohne dass eine Regelschleife den Abstand nachführt. Der Strom wird an jedem Rasterpunkt aufgezeichnet. Das erlaubt hohe Abtastraten und vermeidet Rückkopplungsartefakte – passend für schnelle Prozesse wie Atombewegungen, chemische Reaktionen oder Video-RTM. Dafür sind Drift und langsame Schwingungen gefährlich: Im ungünstigen Fall kommt es zum Spitzen-Probe-Kontakt.
Im Constant-Current-Mode, auch CCM oder CGM, wird der Tunnelstrom konstant gehalten. Eine Regelschleife verändert dafür die Spitzenhöhe, und ihre Position liefert direkt ein dreidimensionales Bild. Dieser Modus wird in der Praxis am häufigsten verwendet. Die Regelung bremst allerdings die Messgeschwindigkeit; Bildaufnahmen dauern meist mehrere Zehnsekunden bis Stunden. Außerdem kann der Bildkontrast durch mindestens neun verschiedene Mechanismen beeinflusst werden und ist nicht ohne Weiteres als atomare Struktur zu lesen.
Die Rastertunnelspektroskopie, kurz STS, nutzt das RTM zur Untersuchung der lokalen elektronischen Struktur. Je nach angelegter Spannung kann ein Objekt als Erhebung oder Vertiefung erscheinen. Mit Punktspektroskopie lassen sich energetische Lagen von Oberflächenzuständen an einem Ort bestimmen; STS-Bilder zeigen, wo Elektronen bei einer bestimmten Energie auftreten. Eine hochfrequente Wechselspannung wird der Tunnelspannung überlagert, aus der Strom-Spannungs-Ableitung wird die Zustandsdichte bestimmt. Wegen der besseren energetischen Auflösung arbeitet man dabei häufig bei wenigen Kelvin – genau jener Temperaturwelt, in der auch die Kieler Cobaltocen-Messungen stattfinden.