Quantenrauschen im Tunneleffekt gezähmt

Der HiFi-Enthusiast hasst es, Elektroniker:innen macht es die Arbeit schwer: Rauschen. Diese ungewollten, zufälligen Störungen aus der Umgebung, die das eigentliche Signal überlagern und verfälschen können aber auch nützlich sein und Prozesse verstärken. Der dahintersteckende Mechanismus ist die „stochastische Resonanz“. Bei diesem Phänomen verstärken kleine zufällige Schwankungen ein eigentlich schwaches Signal, sodass es klarer und regelmäßiger wahrgenommen werden kann. Eine Arbeit von Forschenden der Universität Duisburg-Essen (UDE) eröffnet jetzt neue Perspektiven für zukünftige Quantenbauelemente.

Hendrik Mannel erforscht mithilfe von Laserspektroskopie, wie Rauschen den Tunneleffekt beeinflusst.

Quelle: UDE / Peter Kohl

In einer Koope­ra­tion aus Ex­pe­ri­ment und Theo­rie ist es den Ar­beits­grup­pen um Axel Lorke und Jür­gen König an der UDE nun ge­lungen, sto­chas­ti­sche Re­so­nanz in einem Quan­ten­phäno­men zu beob­achten. Mit­hilfe von hoch­auflösen­der Laser­spek­tro­sko­pie haben die Ar­beits­grup­pen die Be­we­gung eines ein­zel­nen Elek­trons ver­folgt, das sich ent­we­der in einem Quan­ten­punkt be­fin­den kann oder außer­halb in einem Elek­tro­nen­reser­voir. Zwi­schen Reser­voir und der win­zi­gen Nano­struk­tur gibt es eine Bar­ri­ere, die das Elek­tron aber auf­grund des quan­ten­mecha­ni­schen Tunnel­effekts durch­dringen kann.

Der Tunnelprozess, dessen Erforschung mit dem diesjährigen Nobelpreis aus­ge­zeich­net wurde, ist voll­kom­men zufäl­lig und stellt damit eine Rausch­quelle für die Elek­tronen­bewe­gung dar. Durch An­legen einer klei­nen Wech­sel­span­nung konnte diese Zufalls­bewe­gung aber gebän­digt werden, sodass das Elek­tron deut­lich regu­lärer zwi­schen Quanten­punkt und Elek­tronen­reser­voir hin- und her pendelte.

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Quantenmessungen an der Grenze

Um dies zu zeigen, wurden mithilfe von hochentwickelten statistischen Methoden Millionen von Tunnelprozessen zeitlich analysiert. Überraschend dabei: Die beste Unterdrückung der Zufallsbewegung tritt nicht bei der Frequenz auf, die nach den üblichen Erklärungen der Stochastischen Resonanz zu erwarten gewesen wäre. Je nach Stärke der Wechselspannung lag sie zum Teil sogar deutlich darunter. Ein Phänomen, das noch nicht vollständig verstanden ist und die Tür zu weiteren Untersuchungen aufstößt.

Die Arbeit der Duisburger Physiker ist von Relevanz für visionäre Quantenbauelemente, beispielsweise für abhörsichere Kommunikationskanäle, in denen die einzelnen Bits möglichst regelmäßig verschickt werden sollen. [UDE / dre]