Einzelner Elektronenspin verbindet Kernspins
Komplexes Experiment mit Relevanz für die Entwicklung von Spin-Qubits.
Forscher der Universität Basel haben erstmals die Kernspins von weit entfernten Atomen mithilfe eines einzelnen Elektrons zur Kopplung gebracht. An dem sehr komplexen Experiment waren gleich drei Forschungsgruppen des Departements Physik beteiligt. Bei den meisten Materialien beeinflussen sich die Kernspins von benachbarten Atomen nur sehr schwach, da die winzigen Kerne tief im Innern der Atome liegen. Anders sieht es bei Metallen aus, die frei bewegliche Elektronen aufweisen. Die Elektronenspins sind in der Lage, weit auseinanderliegende Kernspins miteinander zu koppeln. Diese nach vier Physikern benannte RKKY-Wechselwirkung wurde bereits in den 50er Jahren entdeckt.
Abb.: Blick auf die Struktur des Mikrodrahtes, der einen optischen Zugang zum Quantenpunkt erlaubt (Bild: G. Wüst et al. U Basel / NPG)
Der Arbeitsgruppe um Richard Warburton ist es nun zum ersten Mal gelungen, diesen Mechanismus im Experiment an einem einzigen Elektron zu demonstrieren und mit einer Quanten-Theorie zu beschreiben. Dazu haben die Forscher ein einzelnes Elektron in einen Quantenpunkt eingeschleust. Mithilfe einer in Basel entwickelten Methode zur Messung der Kernspinresonanz konnten sie zeigen, dass das Elektron Kernspins koppelte, die relativ weit bis zu fünf Nanometer auseinanderlagen. Relevant sind die Ergebnisse insbesondere für die Entwicklung von Spin-Qubits, die Elektronenspins als Informationsträger nutzen möchten, beschränkt doch die Wechselwirkung die Stabilität der Quanteninformation.
„Das ist wohl das komplizierteste Experiment, das unser Team je durchgeführt hat“, sagt Richard Warburton, Leiter der Forschungsgruppe Nano-Photonics am Basler Departement für Physik. Zugleich zeigt er sich begeistert von der Kooperation unter drei Basler Forschungsgruppen, die dieses Experiment ermöglicht hat. „Es waren so viele verschiedene Aspekte zu beachten. Eine Herausforderung, die wir nur dank der grossartigen Zusammenarbeit an unserem Departement meistern konnten.”
Für dieses Ergebnis stellte die Forschungsgruppe von Martino Poggio ihre Expertise im Bereich Kernspinresonanz zur Verfügung, während das Team um Daniel Loss in monatelanger Arbeit die Quanten-Theorie zum Experiment berechnete. Ebenfalls beteiligt war die Ruhr-Universität Bochum, welche die Halbleiter-Chips für das Experiment herstellte.
U Basel / JOL
