Getrennt vereint

Israelische Physiker beobachten Interferenzmuster voneinander unabhängiger Elektronen aus unterschiedlichen Quellen.

Rehovot (Israel) – Elektronen können sowohl als Teilchen als auch als Welle beschrieben werden. Das klassische Doppelspalt-Experiment belegt den Wellencharakter durch ein klares Interferenzmuster, da die Elektronen hierfür aus ein und derselben Quelle stammen. Bei völlig unabhängigen Elektronen aus zwei verschiedenen Quellen sieht es jedoch anders aus. Doch auch diese Elektronenwellen können in Interferenz zueinander treten, wie israelische Physiker nun in der Zeitschrift "Nature" berichten.

"Für ein einzelnes Teilchen tritt Interferenz zwischen den Amplituden der Wellenfunktionen des Teilchens auf", erklären Moty Heiblum und seine Kollegen vom Weizmann Institute of Science in Rehovot. Aber die Interferenz zwischen zwei unabhängigen Teilchen ist ein direktes Ergebnis der Quantenstatistik. Um dies zu demonstrieren, nutzte Heiblum ein zweidimensionales Elektronengas. Experimentell verwirklichte er dieses mit einem Halbleitermodul, in denen sich Elektronen frei in der Fläche bewegen können. Für den experimentelle Aufbau wurde ein Aharonov-Bohm Interferometer verwendet: Elektronen aus zwei verschiedenen Quellen können unabhängig voneinander zu zwei verschiedenen Detektoren gelangen. Alle Interferenzeffekte sollten sich gemäß der klassischen Wahrscheinlichkeiten gegenseitig aufheben. Aber durch die wechselseitige Korrelation ("cross-correlation") der Phasen der Elektronenwellen werden dennoch Interferenzen erzeugt, die sich mit einem Mach-Zehnder-Interferometer nachweisen lassen.

Abb.: schematische Darstellung des Interferometers. S1 und S2 sind die Quellen. A,B,C und D sind Strahlteiler. Jedes Teilchen kann an jedem der 4 unterschiedlichen Drains D1-D4 ankommen. Durch Teilung in der Mitte entstehen 2 Mach-Zehnder Interferometer MZ1 und MZ2 (Abbildung unten).

Grundlage der Messung ist der Aharonov-Bohm-Effekt, bei dem das Interferenzmuster der Elektronenwellen durch ein äußeres Magnetfeld (hier ~ 6,4 Tesla) verschoben wird. Bei diesem Experiment mit zwei Elektronenquellen äußert sich das darin, dass durch die wechselseitige Korrelation die Interferenz mit dem magnetischen Feld oszilliert. Genau diesen Effekt einer starken Aharonov-Bohm-Oszillation beobachteten Heiblum und Kollegen.

Für die Erklärung ziehen die Forscher ein quantenphysikalisches Phänomen heran. Trotz der Unabhängigkeit und Ununterscheidbarkeit der Elektronen kommt es zu einer Verschränkung zwischen den räumlichen Freiheitsgraden zweier Elektronen. Das legt eine Bedeutung dieses Effekts für das Feld der Quanteninformation nahe. "Die kohärente Kontrolle von Viel-Teilchen-Quantenzuständen ist eine der fundamentalen Voraussetzungen für Quanteninformationsprozesse mit Elektronen", schreibt Markus Kindermann vom Georgia Institute of Technology in einem begleitenden Kommentar. Daher erwartet er auf der Basis dieser Interferenz-Effekte zwischen voneinander völlig unabhängig erzeugter Elektronen ein neues und aufregendes Forschungsgebiet der Nanoelektronik.


Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Interference between two indistinguishable electrons from independent sources, I. Neder et al., Nature, Vol. 448, S. 333 http://dx.doi.org/10.1038/nature05955
  

• Kommentar: Interference in the matter, Markus Kindermann, Nature, Vol. 448, S. 262
  

• Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel: http://www.weizmann.ac.il/
  

• Submicron Center, M Heiblum: http://www.weizmann.ac.il/smc/sc_transport.html

Weiterführende Literatur:

• Crease, R. P. Phys. World 15(9), 19–20 (2002).
  

• Samuelsson, P., Sukhorukov, E. V. & Büttiker, M. Phys. Rev. Lett. 92, 026805 (2004).
  

• McClure, D. T. et al. Phys. Rev. Lett. 98, 056801 (2007).