„Heiße“ Spiralen in Quantendrähten
Kopplung führt zu magnetischer Ordnung von Kern- und Elektronenspins.
Physikern der Universität Basel ist es gelungen, in einem Quantendraht eine spontane magnetische Ordnung von Kern- und Elektronenspins bei Temperaturen von 0,1 Kelvin zu beobachten. Bisher war dies meist erst bei Temperaturen im Mikrokelvin-Bereich möglich. Durch die Kopplung von Kernen und Elektronen entsteht ein neuer Zustand der Materie, bei der sich eine Kernspinordnung schon bei einer viel höheren Temperatur einstellt. Die Ergebnisse stimmen weitgehend mit einem theoretischen Modell überein, das vor wenigen Jahren in Basel entwickelt worden war.
Abb.: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Silizium-Quantendrahts. (Bild: H. Lorenz, LMU)
Für ihr Experiment benutzten die Forscher um Dominik Zumbühl vom Departement Physik der Universität Basel sogenannte Quantendrähte aus dem Halbleiterwerkstoff Galliumarsenid. Dabei handelt es sich um eindimensionale Strukturen, bei denen sich Elektronen nur in einer Raumrichtung bewegen können.
Bei Temperaturen über zehn Kelvin wiesen die Quantendrähte eine universelle, quantisierte Leitfähigkeit auf, deren Wert auf einen ungeordneten Zustand der Elektronenspins hinweist. Kühlten die Forscher die Drähte mit flüssigem Helium aber auf eine Temperatur unter 0,1 Kelvin ab, zeigten die elektronischen Messungen einen um die Hälfte reduzierte Leitfähigkeit, was auf eine kollektive Ausrichtung der Elektronenspins schliessen lässt. Dieser Zustand blieb auch konstant, als die Forscher die Probe auf noch tiefere Temperaturen bis zehn Millikelvin herunterkühlten.
Die Erklärung, weshalb eine Kernspinordnung schon bei 0,1 Kelvin möglich ist, liegt darin, dass die Kerne der Gallium- und der Arsenatome in Quantendrähten an die Elektronen koppeln und diese wiederum auf die Kerne rückwirken. Durch diese Kopplung verstärkt sich die Wechselwirkung zwischen den magnetischen Momenten, was zur Ordnung der Kern- und Elektronenspins führt. Dass sich die Elektronen in den eindimensionalen Quantendrähten nicht ausweichen können und dadurch stark miteinander wechselwirken, stabilisiert die Ordnung zusätzlich.
Im geordneten Zustand zeigten die Spins der Elektronen und der Atomkerne allerdings nicht alle in dieselbe Richtung, sondern ihre Ausrichtung war entlang des Quantendrahts spiralförmig verdreht. Diese Anordnung der Spins in Form einer Helix, wird von einem theoretischen Modell vorausgesagt, das Physiker um Daniel Loss von der Universität Basel bereits 2009 beschrieben hatten. Demnach halbiert sich die Leitfähigkeit bei einer spiralförmigen Anordnung der Kernspins. Alle anderen heute bekannten Theorien sind mit den Daten aus dem Experiment nicht vereinbar.
Die Resultate des Experiments sind für die Grundlagenforschung von großer Bedeutung, aber auch für die Entwicklung von Quantenrechnern interessant, die auf Elektronenspins beruhen und diese als Informationseinheit verwenden. Um mit Elektronenspins rechnen zu können, müssen sie für lange Zeit stabil gehalten werden. Doch die schwierig zu kontrollierenden Kernspins stellen für die Stabilität der Elektronenspins eine große Fehlerquelle dar.
Die Arbeit der Basler Physiker zeigt nun einen Weg auf, wie sich die Störung durch Kernspins beheben lässt. Denn durch die im Experiment erreichte Ordnung der Kernspins lassen sich vielleicht in den Quantendrähten viel stabilere Informationseinheiten erzeugen.
Zudem lassen sich die Kernspins mit elektrischen Feldern steuern, was bisher nicht möglich war: Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung werden die Elektronen aus dem Halbleiter hinausgeworfen, wodurch sich die Elektron-Kern-Kopplung und die spiralförmige Ordnung der Spins wieder auflöst.
U. Basel / PH
