Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 25.02.2011

Bochumer Physiker bauen 0-dimensionale Systeme

Nature Communications: Quantenpunkte be- und entladen

Für die Informationsverarbeitung der Zukunft suchen Forscher nach Möglichkeiten, neben Strömen von Elektronen auch deren Drehung zu nutzen. In Kombination könnten diese Eigenschaften wesentlich mehr Informationen speichern als nur „null“ und „eins“. Da das bei einzelnen Atomen schwierig ist, bauen RUB-Physiker um Prof. Dr. Andreas Wieck „künstliche Atome“ in Festkörper ein. Unter seiner Beteiligung ist es einem Forscherteam aus Duisburg-Essen, Hamburg und Bochum nun gelungen, Zustände solcher künstlichen Atome direkt elektronisch auszulesen – mit gängigen Schnittstellen zu klassischen Computern. Das ist ein großer Schritt hin zur Anwendbarkeit solcher Systeme. Sie berichten in Nature Communications.

Eine Million statt einzelne Atome

Im Prinzip ist die Nutzung des Spins von Elektronen an einzelnen Atomen möglich, aber die Kleinheit der Signale und die Schwierigkeit, einzelne Atome definiert zu halten, beschränkt diese Technik auf hochspezialisierte Labors. Es bedarf eines ultrahohen Vakuums und aufwändiger Lasertechnik. „Wesentlich eleganter ist es, atomähnliche Systeme in Festkörper einzubauen“, sagt Prof. Wieck. Hier hilft die Quantenmechanik: Für Standard-Elektronendichten in Halbleitern beträgt die Wellenlänge von Elektronen (und Löchern) einige 10 Nanometer (nm), was etwa einen Abstand von 100 Atomen bedeutet. Man braucht also nicht einzelne Atome zu isolieren oder einzubringen. Es genügt, Bereiche zu definieren, die in jeder Richtung etwa 100 Atome Ausdehnung haben, also etwa 100^3 = eine Million Atome umfassen. „Aber selbst das ist nicht ganz einfach, denn die heutige Hochintegration beherrscht „erst“ rund 50nm Auflösung“, erklärt Prof. Wieck.

Trick: Orangen auf Mandarinen stapeln

Hier hilft ein Trick, der mit dem Atomabstand im Kristallgitter zu tun hat: Elektronen halten sich lieber in Indium-Arsenid (InAs) auf als in Gallium-Arsenid (GaAs). Da Indium ein wesentlich größeres Atom als Gallium ist, muss man sich eine Schichtung einer InAs-Schicht auf GaAs etwa so vorstellen, wie wenn man Orangen auf Mandarinen schichtet: Die erste Orangen (InAs-) Schicht wird aufgelegt, indem die Orangen auf Mandarinen (GaAs-) Breite „gequetscht“ werden, was zu einer „verspannten“ Schicht führt. Auch die zweite Orangen (InAs-) Lage muss verspannt werden, aber wenn man mehrere solcher Lagen übereinander schichtet, „vergisst“ das Orangen-System seine Mandarinen-Unterlagen-Ordnung. Die Verspannung „relaxiert“, das heißt sie wirft Fehlstellen und Lücken und türmt die Orangen zu einzelnen Haufen auf. Solche InAs-Haufen – InAs-Quantenpunkte oder „QDs“ (nach der englischen Bezeichnung Quantum Dots) genannt – wachsen also selbstorganisiert. Sie sind einige 10nm breit und etwa 5nm hoch, und damit für den quantenmechanischen Ladungsträgereinschluss ideal geeignet. Es passt gerade eine Wellenlänge der Elektronen bzw. Elektronenlöcher hinein. Die QDs zwingen die Elektronen in quantisierte Energien, womit sie als „künstliche Atome“ für Informations-Verarbeitungs-Zwecke einsetzbar sind.

10 Millionen mal kleiner als ein Hamburger

Die Bochumer Forscher stellen schon seit einigen Jahren die homogensten QD-„Ensembles“ her: Alle erzeugten QDs haben praktisch die gleiche Größe und ähneln als unten abgeflachte Linse einem „Hamburger“-Oberteil, sind aber rund 10 Millionen mal kleiner. „In jeden QD eines ca. eine Million umfassenden QD-Ensembles füllen wir definiert einige wenige Elektronen ein, wobei wir mit den Leichtesten beginnen, Wasserstoff, Helium und Lithium“, erläutert Prof. Wieck. Bisher wurden die Energieniveaus, die diese Elektronen besetzen, nur mit optischen Methoden ausgelesen. „Das ist zwar sehr elegant, bedarf aber eines großen Messaufwands mit spezialisierten Lasern, Detektoren und Spektralapparaten“, so Wieck. In der aktuellen Arbeit beschritten die Forscher einen gänzlich anderen Weg: Sie präparierten die QDs auf einer leitenden Elektronenschicht und maßen nur den elektrischen Widerstand dieser Schicht, der sich mit der Elektronenbesetzung der QDs ändert. „Dadurch haben wir einen direkten, elektronischen Zugriff auf die besetzten Zustände in den QDs und können diese mit gängigen Interfaces zu klassischen Computern auslesen.“ (Meike Drießen)

Titelaufnahme:
B. Marquardt, M. Geller, B. Baxevanis, D. Pfannkuche, A. D. Wieck, D. Reuter, and A. Lorke: Transport spectroscopy of non-equilibrium many-particle spin states in self-assembled quantum dots. In: Nature communications, 22.2.2011, doi: 10.1038/ncomms1205

Externer Link: www.ruhr-uni-bochum.de

Pressemeldung der Universität Wien vom 21.02.2011

Quantensysteme werden als frustriert bezeichnet, wenn konkurrierende Wechselwirkungen nicht gleichzeitig befriedigt werden können. Einem Forschungsteam der Universität Wien und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW um Philip Walther und Anton Zeilinger gelang es, erstmals Quanteneffekte von komplexen Vielteilchensystemen zu simulieren. Die im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlichten Ergebnisse verheißen künftigen Quantensimulatoren enormes Potenzial, Einblicke in noch ungeklärte Phänomene der Quantenwelt zu geben.

Selbst das Verhalten von relativ kleinen Quantensystemen kann mit herkömmlichen Computern mangels Rechenleistung nicht berechnet werden, weil ein Quantenzustand viel mehr Information enthält. Wird aber ein anderes Quantensystem als Quantensimulator verwendet, können Antworten über die Eigenschaften von dem komplexen Quantensystem gewonnen werden.

Frustrierte Quantensysteme als Ausgangspunkt für Quanteneffekte

Viele internationale Forschungsgruppen befassen sich mit der Quantensimulation von sogenannten frustrierten Quantensystemen – wenn konkurrierende Wechselwirkungen nicht gleichzeitig befriedigt werden können. „Sie sind Ausgangspunkt für Quanteneffekte wie zum Beispiel die Hochtemperatur-Supraleitung, bei der Elektronen ohne Widerstand fließen können“, erklärt Anton Zeilinger, Professor für Quantenphysik an der Universität Wien und Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW. Der Quantenphysiker und das Forschungsteam mit Wissenschaftern aus China, Serbien, Neuseeland und Österreich konnten erstmalig Frustration bei der „Paarbildung“ genau untersuchen.

Dynamiken simuliert

In der aktuellen Ausgabe der renommierten Zeitschrift „Nature Physics“ publizieren sie zu der experimentellen Simulation eines frustrierten Quantensystems mithilfe zweier verschränkter Photonenpaare. „Erst seit kurzem ist unsere Quantentechnologie so weit fortgeschritten, dass wir nicht nur andere Quantensysteme nachbauen, sondern auch deren Dynamiken simulieren können“, sagt Philip Walther, Verantwortlicher des Forschungsprojektes. „Wir können heutzutage quantenmechanisch präparierte Photonen gezielt verwenden, um Einblicke in andere Quantensysteme zu erhalten.“ Daher haben zwei in Polarisation verschränkte Photonen in vielerlei Hinsicht die gleichen quantenphysikalischen Eigenschaften wie Elektronenpaare in Materie.

Konflikt einzelner Quantenteilchen

In diesem Experiment stehen einzelne Quantenteilchen (Photonen) dem Konflikt gegenüber, sich mit nur einem Partner exklusiv paaren zu können, es aber mit mehreren zu wollen – z.B. ein Elektron, dessen Spin, vergleichbar mit einen Minimagneten, wegen seines rechten Nachbarn nach oben und wegen seines linken Nachbarn nach unten zeigen sollte. „Die Lösung für solche Situationen liefert nur die Quantenphysik, da ein Spin in gewissem Sinne beides sein kann in Form von Überlagerungen. Dies führt zur Frustration. Das Quantensystem greift in die ‚Trickkiste‘ und erlaubt Quantenfluktuationen, sodass verschiedene, sich sonst ausschließende Paarbildungen als Superposition koexistieren können“, so Walther. Somit bestätigt die Arbeit der Wiener Gruppe, dass Quantensimulation ein sehr gutes Mittel zur Berechnung von Quantenzuständen der Materie ist. Sie eröffnet den Weg zur Untersuchung weitaus komplexerer Situationen.

Über Verschränkung

Verschränkung ist eine Eigenschaft der Quantenmechanik, die nicht mit dem alltäglichen Verständnis der Welt vereinbar ist und kein Gegenstück in der klassischen Physik besitzt. Sind zwei Lichtteilchen (Photonen) miteinander verschränkt, bleiben sie über beliebig große Distanzen verbunden. Führt man eine Messung, z.B. des Polarisationszustandes, an einem der beiden Teilchen durch, ändert sich auf „spukhafte Weise“ auch der Zustand des anderen Teilchens. Verschränkte Systeme liefern vollkommen neue Ansätze zur Informationsverarbeitung, etwa auch die Simulation von anderen Quantensystemen.

Publikation:
Xiao-song Ma, Borivoje Dakic, William Naylor, Anton Zeilinger, Philip Walther: Quantum simulation of the wavefunction to probe frustrated Heisenberg spin systems. In: Nature Physics, Advanced Online Publication (AOP), 20 February 2011. DOI 10.1038/NPHYS1919.

Externer Link: www.univie.ac.at