Quantencomputing mit Sound Akustische Manipulation von Elektronenspins kontrolliert Quanten

Redakteur: Peter Königsreuther

Der Spin von Elektronen in Kristallgittern reagiert auf äußere elektrische und magnetische Felder sehr gut, aber auch auf Schall. Folgendes lässt sich mit dieser Erkenntnis anfangen.

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Quantencomputing! Ein Farbzentrum im Halbleiterwerkstoff Siliziumkarbid ist durch Schall steuerbar. Die Quanteninformation ist als definierte Richtung des Spins der im Farbzentrum gefangenen Elektronen gespeichert – hier dargestellt durch einen Pfeil. Forscher am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) untersuchen so etwas.
Quantencomputing! Ein Farbzentrum im Halbleiterwerkstoff Siliziumkarbid ist durch Schall steuerbar. Die Quanteninformation ist als definierte Richtung des Spins der im Farbzentrum gefangenen Elektronen gespeichert – hier dargestellt durch einen Pfeil. Forscher am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) untersuchen so etwas.
(Bild: HZDR/Blaurock)

Forschende am Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Berlin, am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und am Ioffe-Institut in St. Petersburg berichten jetzt über die gezielte Manipulation von Elektronenspins im Grund- und im angeregten Zustand, mithilfe von Schallwellen. Das öffne den Weg zu neuen, bisher unzugänglichen Methoden der Verarbeitung von Quanteninformation. Im Folgenden erklären die Beteiligten ein Bisschen genauer, wie das geht.

Silizium könnte durch Siliziumkarbid ersetzt werden

Die eingefangenen Elektronen absorbieren typischerweise Licht im sichtbaren Spektrum, so dass ein transparentes Material, beispielsweise Diamant, durch solche Zentren farbig wird, heißt es vorab. Farbzentren gehen aber auch oft mit bestimmten magnetischen Eigenschaften einher, was sie zu vielversprechenden Systemen für Anwendungen in der Quantentechnologie macht, wie Quantenspeicher – die Qubits – oder Quantensensoren. Es gilt nun, eine effiziente Methoden zu entwickeln, mit der die magnetische Quanteneigenschaft von Elektronen, in diesem Fall ihre Spin-Zuständen, kontrolliert werden kann.

Typischerweise werde dies durch Einwirkung elektromagnetischer Felder machbar, aber alternativ könne man auch mechanische Schwingungen, wie etwa akustische Oberflächenwellen, dazu nutzen.

Das sind im Prinzip Schallwellen, die auf die Oberfläche eines Festkörpers begrenzt sind und den Wasserwellen auf einem See ähneln. Sie werden oft in Mikrochips als Hochfrequenzfilter, Oszillatoren und Transformatoren eingesetzt und in elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Tablets und Laptops verbaut.

Wie das Stimmen einer Gitarre – nur „etwas“ komplizierter!

Die Forschenden demonstrierten, dass akustische Oberflächenwellen zur Steuerung von Elektronenspins in Siliziumkarbid verwendet werden können, einem Halbleiter, der Silizium in vielen Anwendungen ersetzen könnte, die heutige Hochleistungselektronik erfordern. Diese Steuerung sollte man sich wie das Stimmen einer Gitarre mit einem normalen elektronischen Stimmgerät vorstellen, empfehlen die Experten. Der Unterschied: Im Experiment ist das Stimmen etwas komplizierter! Denn ein Magnetfeld stimmt die Resonanzfrequenzen des Elektronenspins auf die Frequenz der akustischen Welle ab, während ein Laser Übergänge zwischen dem Grund- und dem angeregten Zustand des Farbzentrums induziert, heißt es dazu.

Diese optischen Übergänge spielten dabei eine fundamentale Rolle, denn sie ermöglichen die optische Detektion des Spinzustands, indem sie die Lichtquanten registrieren, die bei der Rückkehr des Elektrons in den Grundzustand emittiert werden. Wegen der starken Wechselwirkung zwischen den periodischen Schwingungen des Kristallgitters und den in den Farbzentren gefangenen Elektronen gelingt es, den Elektronenspin gleichzeitig sowohl im Grundzustand als auch im angeregten Zustand durch die akustische Welle zu steuern, erklären die Wissenschaftler.

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