Genauere Ermittlung von Quantenzuständen

Meilenstein im Nanometer-Maßstab

Physiker beschreiben den quantenmechanischen Zustand eines Vielteilchen-Systems durch Vergleich von theoretischen Vorhersagen mit Messungen an Halbleitern.

Physikern der Philipps-Universität Marburg (PUMa) und aus den USA ist es geglückt, den quantenmechanischen Zustand eines Systems aus Millionen von Teilchen zu beschreiben, indem sie Messungen an Halbleitern mit theoretischen Vorhersagen in Übereinstimmung gebracht haben. Moderne Halbleiterbauelemente, chemische Reaktionen und sogar biologische Vorgänge basieren auf Prozessen, die sich im Nanometerbereich abspielen. Prozesse in diesem Größenmaßstab unterliegen Prinzipien der Quantenmechanik, die häufig unanschaulich sind. Um solche Nanosysteme physikalisch vollständig zu charakterisieren und womöglich sogar steuern zu können, muss man deren gesamten quantenmechanischen Zustand kennen.

„Dieses Ziel ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt unerreichbar, sofern die betrachteten Systeme mehr als einige Atome oder Ionen umfassen“, sagt Stephan Koch von der PUMa. „Und zwar schlicht und ergreifend deshalb, weil die direkte Messung des Quantenzustands die Möglichkeiten der Datenverarbeitung erschöpfen würde.“ Zur Umgehung dieses Problems nahmen sich die Physiker dünne Halbleiterfilme vor, deren Elektronen sie optisch anregten. Statt den Quantenzustand direkt zu untersuchen, führten sie präzise Messungen durch, um subtile Veränderungen des optischen Verhaltens nachzuweisen. Die experimentellen Daten wurden dann mit den Vorhersagen einer avancierten Vielteilchentheorie verglichen. „Unser detaillierter Vergleich zwischen quantitativen Experimenten und der Theorie zeigt, dass das Absorptionsverhalten stark von der Vielteilchen-Konfiguration abhängig ist“, erläutert Mitautor Mackillo Kira. Somit konnten die Quantenzustände der optisch aktiven Elektronen mit bisher unerreichter Genauigkeit identifiziert werden.

„Dieses Ergebnis stellt einen ersten Meilenstein auf dem Weg zur Beschreibung von Prozessen im Nanoskalenbereich in Halbleitern dar“, erklärt Koch. Kira führt aus, dass man als einen der nächsten Schritte versuchen werde, den Quantenzustand extrem großer Systeme zu steuern – möglicherweise, indem man die Quantenaspekte der optischen Anregung exakt kontrolliert. Hierfür kooperieren die theoretischen Physiker von der Philipps-Universität wiederum mit Experimentatoren des National Institute of Standards and Technology und der University of Colorado in den USA (JILA/NIST).

Philipps-Universität Marburg

AL