Ein Quantensprung in der Quantenphysik

Forschenden an der Universität Basel ist es gelungen, einen Elektron-Loch-Spin während einer Mikrosekunde in einem kohärenten Quantenzustand zu halten. Dies könnte neue Wege öffnen für auf Quanteneffekten basierender Informationsverarbeitung.

In Bezug auf kohärente Quantenzuständen lagen Halbleiter immer weit abgeschlagen hinter Atomen. Dies ist bedauerlich, da Halbleiter weitaus besser für die Herstellung von Bauteile geeignet sind. Die Verbindung zwischen «Quantenkohärenz» auf der einen und «anwendbare Bauteile» auf der anderen Seite ist alles andere als naheliegend, doch haben einige bemerkenswerte Entwicklungen in der theoretischen Physik der vergangenen zehn Jahre, zumindest auf dem Papier gezeigt, dass das wundersame quantenmechanische Verhalten der Materie für Informationsverarbeitung benutzt werden kann.

Forscher auf der ganzen Welt wurden durch diese Fortschritte inspiriert und versuchten, einen kohärenten Quantenzustand in Halbleitern zu finden. Dies war jedoch nicht einfach: Die Lösung eines Problems verursachte häufig ein neues. Ein Artikel im Fachmagazin «Science» von Daniel Brunner et al., der aufgrund von Forschungen unter der Leitung des kürzlich nach Basel berufenen Physikers Professor Richard Warburton an der Heriot-Watt University in Edinburgh entstand, berichtet von einem Quantensprung in diesem Feld.

Der Grundgedanke dabei ist, einen Spin zu verwenden, eine befremdliche quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen, die man sich grob als die Drehung eines Elektrons um die eigene Achse vorstellen kann. Das gute daran ist, dass ein Spin das Wackeln der ihn umgebenden Atome nur indirekt spürt. Schlecht ist jedoch, dass er das Wackeln der Atom-Spins spürt. Inspiriert von den bahnbrechenden theoretischen Untersuchungen von Professor Daniel Loss und seiner Gruppe an der Universität Basel, hat sich die schottische Forschergruppe vorgenommen, anstelle eines Elektrons ein Loch auszuprobieren.

Ein Loch ist ein fehlendes Elektron, vergleichbar mit einer Blase in einer mit Wasser gefüllten Flasche. Gemäss dieser Einschätzung kümmert sich ein lokalisierter Loch-Spin nur um sich selbst und bleibt unberührt von all den störenden Effekten, die wackelnde Atome im Halbleiter verursachen. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen diese tiefgreifende Idee, der Loch-Spin behält seine Kohärenz für mindestens eine Mikrosekunde. Dies mag sich nicht nach lange anhören, ist jedoch viel länger als ein Loch-Spin braucht, um um seine eigene Achse zu rotieren.

Professor Richard Warburton: «Die Theorie aus Basel hat uns so stark beeindruckt, dass wir uns entschlossen, all unsere Bemühungen dem Loch-Spin-Projekt zu widmen. Zum Glück sind die Forscher in meiner Gruppe zu jung, um viel von den Problemen zu kennen, die wir noch vor wenigen Jahren mit Löchern in traditionellen Halbleitern hatten. Mit Quantenpunkten ist nun alles anders. Die Ergebnisse überraschten uns freilich sehr. Das Experiment hat wesentlich besser funktioniert, als wir je gehofft haben.»

Originalbeitrag
Daniel Brunner, Brian D. Gerardot, Paul A. Dalgarno, Gunter Wüst, Khaled Karrai, Nick G. Stoltz, Pierre M. Petroff, Richard J. Warburton:  Coherent Single-Hole-Spin in a Semiconductor. Science 3 July 2009 | doi: 10.1126/science.1173684

Kontakt
Richard J. Warburton, Departement Physik, Universität Basel, E-Mail: R.J.Warburton [at]  hw.ac.uk; Daniel Loss, Departement Physik, Universität Basel, E-Mail: daniel.loss [at] unibas.ch