Presseaussendung der TU Wien vom 16.09.2010

Prof. Schattschneider von der Technischen Universität (TU) Wien entwickelt mit Kollegen aus Belgien eine Methode, rotierende Elektronenstrahlen zu erzeugen und veröffentlicht die neue Technik im Fachjournal „Nature“.

Wien (TU) – Mit rotierenden Quantenteilchen Materie manipulieren: Einem Team von der Universität Antwerpen und der TU Wien (Prof. Peter Schattschneider, Institut für Festkörperphysik) gelang es, sogenannte Vortex-Strahlen zu erzeugen: Rotierende Elektronenstrahlen, die es erlauben, magnetische Eigenschaften der Materie zu untersuchen. In Zukunft können sie es sogar ermöglichen, winzigste Bauteile gezielt zu manipulieren und in Rotation zu versetzen. Über diesen Durchbruch in der Elektronenphysik und seine Anwendung berichten die Physiker in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Nature“.

Rotierender Strom: der Quanten-Tornado

Elektronenstrahlen werden schon lange zur Analyse von Materialien verwendet – etwa in Elektronenmikroskopen. Ihre Drehung spielt dabei meist keine Rolle. Klassisch betrachtet trägt ein Elektronenstrom im Vakuum keinen Bahndrehimpuls. Quantenmechanisch allerdings muss man sich die Elektronen wie einen wellenartigen Strom vorstellen – und der kann sich insgesamt umseine Ausbreitungsrichtung herum drehen, ähnlich wie der Luftstrom in einem Tornado.
Vortex-Lichtstrahlen werden in der Optik seit einiger Zeit verwendet (etwa als optische Pinzetten, um kleine Teilchen zu manipulieren). Vortex-Strahlen aus Elektronen bieten ebenfalls viele neue Möglichkeiten, Nanoteilchen zu steuern oder drehimpulsbezogenen Größen zu messen. Allerdings hatte man bisher keine wirklich effizienten Methoden, sie herzustellen. „Als ich dann an einer Idee arbeitete, wie man diese Strahlen technisch erzeugen könnte, stellte sich heraus, dass Kollegen aus Antwerpen die gleiche Idee gehabt hatten“, erzählt Prof. Schattschneider. „So beschlossen wir also, das Projekt gemeinsam weiterzuverfolgen: Antwerpen war in der Herstellung weiter, und aus Wien kam dann ein Vorschlag zur ersten Anwendung.“

Der Trick mit der Maske

Möglich wurde die Erzeugung der Vortex-Elektronenstrahlen mit Hilfe einer gitterartigen Maske, die aus einer Platinfolie herausgeschnitten wird. Ähnlich wie Lichtstrahlen gebeugt werden, wenn man sie durch ein feines Gitter sendet, verhält sich auch der Elektronenstrahl, wenn er die Platinmaske passiert. Die Form dieser Maske, die nur einige Millionstel Meter misst, wurde speziell so berechnet, dass eine einfallende ebene Elektronenwelle in Vortex-Strahlen umgewandelt wird. So bildet sich hinter dem Gitter ein rechtsdrehender und ein linksdrehender Vortex-Strahl, und in der Mitte ein gewöhnlicher Elektronenstrahl ohne Rotation. Bestrahlt man mit den Elektronen ein Material, das seinerseits Einfluss auf den Drehimpuls der Elektronen ausübt, und schickt man die Elektronen anschließend durch die maßgeschneiderte Platinmaske, so ist danach entweder der rechtsdrehende oder der linksdrehende Vortex-Strahl intensiver. „Das gibt uns die Möglichkeit, drehimpulsbehaftete Prozesse in Nanomaterialien viel genauer zu untersuchen als das bisher machbar war“, erklärt Prof. Schattschneider.

Besser als Science Fiction

Dem Physiker, der gelegentlich auch wissenschaftliche Science-Fiction schreibt, fällt es nicht schwer, sich noch exotischere Anwendungen der Vortex-Strahlen auszudenken: „Man könnte mit diesen Elektronenstrahlen gezielt winzige Räder eines mikroskopisch kleinen Motors in Drehung versetzen. Auch das Magnetfeld der kreisenden Elektronen könnte auf winzigsten Längenskalen eingesetzt werden“, spekuliert Schattschneider. Selbst Anwendungen in der Datenübertragung (Quantenkryptographie) und bei Quantencomputern sind denkbar. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
J. Verbeeck, H. Tian, P. Schattschneider: Production and application of electron vortex beams, Nature, 2010.

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Pressemitteilung der Universität Heidelberg vom 10.09.2010

Forscherteam kann Auftreten polarisations-verschränkter Photonenpaare durch indirekte Messungen nachweisen

Die Verschränkung von Lichtteilchen, wie sie 2003 in einem theoretischen Konzept vorgestellt worden ist, hat ein internationales Forscherteam unter Leitung des Physikers Prof. Dr. Jian-Wei Pan von der Universität Heidelberg jetzt erstmals experimentell realisiert. Den Wissenschaftlern aus Deutschland, Taiwan und China ist es als weltweit ersten gelungen, das Auftreten von sogenannten polarisations-verschränkten Photonenpaaren bei der Standardmethode ihrer Erzeugung lediglich durch indirekte Messungen nachzuweisen. Ihre Forschungsergebnisse, die vor allem für Quantenkommunikation und Quanteninformationsverarbeitung von Bedeutung sind, werden in der Zeitschrift „Nature Photonics“ vorgestellt.

Photonen werden umgangssprachlich auch als Lichtteilchen bezeichnet. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften sollen sie für quantenphysikalische Anwendungen wie zum Beispiel optische Quantencomputer nutzbar gemacht werden. Erforscht werden dazu Quantensysteme, die aus mehreren voneinander abhängigen Lichtteilchen bestehen. Die Standardmethode zur Erzeugung dieser verschränkten Photonen, die parametrische Fluoreszenz, hat bislang den Nachteil, dass die Anwesenheit der Teilchen ohne Messung nicht nachweisbar ist. Durch die Messung wird jedoch der Quantenzustand unweigerlich beeinflusst und kann nicht mehr weiterverwendet werden.

Das den Heidelberger Forschungsarbeiten zugrundeliegende theoretische Konzept basiert auf der gleichzeitigen Erzeugung von drei polarisations-verschränkten Photonenpaaren aus einer einzigen parametrischen Fluoreszenzquelle. Vier der sechs erzeugten Teilchen dienen dabei als „Hilfsteilchen“. Sie können mithilfe eines ausgeklügelten Detektionsprotokolls gemessen werden und kündigen damit die Anwesenheit der anderen beiden Photonen an, so dass deren Messung nicht erforderlich ist und der quantenmechanische Zustand unverändert bleibt. Die Experten sprechen hier von einer angekündigten oder auch deterministischen Erzeugung der Verschränkung.

Technisch galt dieses Konzept zunächst als nicht umsetzbar. Zur Messung der Photonen müssten spezielle Detektoren eingesetzt werden, die die Anzahl der gleichzeitig ankommenden Lichtteilchen bestimmen können, kommerziell aber nicht erhältlich sind. Das internationale Wissenschaftlerteam um Prof. Pan stand vor der Herausforderung, durch eine Variation des Versuchsaufbaus das Experiment mithilfe einfacher optischer Bauteile und allgemein verfügbarer Schwellwert-Detektoren zu realisieren. Sie reduzierten dazu die Wahrscheinlichkeit, dass überhaupt Photonen zu den Messgeräten gelangen.

„Wir haben damit zwar eine Verringerung der absoluten Effizienz unserer Quelle in Kauf genommen, konnten aber gleichzeitig die Vorhersagegenauigkeit eines maximal verschränkten Photonenpaares deutlich erhöhen“, betont die Heidelberger Wissenschaftlerin Dr. Claudia Wagenknecht aus dem Team von Prof. Pan. Die Forscher sehen darin einen wichtigen Schritt für eine zukünftige Nutzung der parametrischen Fluoreszenz und die Entwicklung deterministischer Quellen für die Verschränkung von Lichtteilchen, um damit insbesondere Experimente in der Quantenkommunikation und der Quanteninformationsverarbeitung durchzuführen und praktische Anwendungen realisieren zu können.

An den Forschungsarbeiten waren Wissenschaftler des Physikalischen Instituts der Ruperto Carola, der National Cheng Kung University in Tainan/Taiwan und der University of Science and Technology of China in Hefei beteiligt.

Originalveröffentlichung:
C. Wagenknecht, C.-M. Li, A. Reingruber, X.-H. Bao, A. Goebel, Y.-A. Chen, Q. Zhang, K. Chen & J.-W. Pan: Experimental demonstration of a heralded entanglement source, Nature Photonics, August 2010, Volume 4 No 8, pp549-552, doi:10.1038/nphoton.2010.123

Externer Link: www.uni-heidelberg.de