Quantenoszillator reagiert auf Druck
Frequenzen einzelner tunnelnder Atome lassen sich im Festkörper direkt kontrollieren.
Supraleitende Quantenbits könnten in ferner Zukunft die Bausteine von leistungsfähigen Computern werden. Schon heute helfen sie, die Struktur von Festkörpern besser zu verstehen. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie haben jetzt mittels Josephson-Kontakten die Schwingungen einzelner Atome ausgemessen, mit denen diese zwischen zwei Positionen „tunnelten“. Durch Verformen der Probe änderte sich sogar die Frequenz. Damit ergibt sich nicht nur die Möglichkeit, die einzelnen Objekte im Festkörper zu vermessen, sondern auch kontrolliert ihre physikalischen Eigenschaften zu verändern.
Abb.: Im Diagramm sind Frequenzspektren gegen mechanische Verformung aufgetragen. Jedes atomare Quantensystem hinterlässt eine charakteristische weiße Linie. (Bild: KIT, CFN)
Die dafür eingesetzte Probe besteht aus einem supraleitenden Ring, der durch einen nanometerdicken Nicht-Leiter unterbrochen ist, einem Josephson-Kontakt. Das auf diese Weise gebildete Qubit lässt sich sehr präzise zwischen zwei Quantenzuständen schalten. „Interessanterweise koppelt so ein Josephson-Qubit mit den anderen atomaren quantenmechanischen Systemen im Nicht-Leiter“, erklärt Alexey Ustinov. „Und über diese Kopplung haben wir die Frequenzen vermessen können.“
Bei Temperaturen knapp oberhalb des absoluten Nullpunktes sind die meisten Rauschquellen im Material ausgeschaltet. Die letzte Quelle von Störimpulsen sind die Atome des Materials selber, wenn sie zwischen zwei äquivalenten Positionen springen. „Diese Frequenzspektren der Atomsprünge können wir mit dem Josephson-Kontakt sehr genau vermessen“, so Ustinov. „Im übertragenen Sinne haben wir ein Mikroskop für die Quantenmechanik einzelner Atome.“
In dem vorliegenden Experiment wurden 41 springende Atome gezählt und deren Frequenzspektrum vermessen, während die Probe mit einem Piezoelement ein klein wenig verbogen wurde. Georg Weiß, ebenfalls Professor am Physikalischen Institut des KIT und Mitglieder des Center for Functional Nanostructures CFN, erklärt: „Die Atomabstände werden dadurch um eine Winzigkeit geändert, die Frequenzen der tunnelnden Atome ändern sich aber recht stark.“ Bis vor Kurzem konnte man nur die Gesamtheit aller tunnelnden Atome messen. Erst seit ein paar Jahren hat man die Technologie, die atomaren Tunnelsysteme einzeln anzusprechen. Die neu entwickelte Methode, atomare Quantensysteme zu kontrollieren, könnte wertvolle Einblicke geben, wie Qubits fit für die Anwendung gemacht werden könnten. Aber auch die Materialien konventioneller elektronischer Bauteile, wie etwa Transistoren, könnten mit dieser Methode untersucht und Grundlagen für weitere Miniaturisierung gelegt werden.
KIT / OD
