Quetschung eines dunklen Kernspinzustands

Quanten­mechanische Zustände, die aus vielen Teilchen bestehen, sind wesentlich robuster gegenüber Störungen, die in diesem Zustand gespeicherte Information bedrohen, als entsprechende Einteilchen-Zustände. Vor mehr als zwanzig Jahren haben Forschende einen besonders robusten Vielteilchen­zustand von Kernspins – den Drehimpulsen von Atomkernen – theoretisch vorhergesagt: Dieser dunkle Kernspin­zustand entsteht durch Bestrahlung mit Laserlicht, wird nach seiner Ausbildung aber immun gegen Beleuchtung und damit dunkel. Einem inter­nationalen Team unter Beteiligung von Forschenden der Fakultät Physik der TU Dortmund ist es nun gelungen, diesen Zustand experimentell zu demonstrieren.

Die Forschenden haben zunächst einen geeigneten Kristall aus der Gruppe der Perowskite, Formami­dinium-Blei-Tribromid, chemisch synthetisiert. Polari­sierte Lichtpulse orientieren dann die Spins von positiv geladenen Ladungs­trägern in diesem Kristall. Kommen die positiven Ladungs­träger in Kontakt mit Bleikernen im Kristall, übertragen sie ihren Spin an die Kernspins der Bleiatome. Durch diese Wechselwirkung entsteht schließlich ein kollektiver Kernspin­zustand. Die beteiligten Kernspins – mindestens 35 davon – agieren demnach nicht mehr unabhängig voneinander, wie eine detaillierte Analyse zeigt, sondern sind miteinander verschränkt.

Durch die Wechsel­wirkung wurde im Experiment die Orientierung der Kernspins der Bleiatome ganz spezifisch geändert. Während sie vor der Beleuchtung mit dem Laserlicht ungeordnet war – geprägt von der quanten­mechanischen Unschärferelation – orientierten sich die Kernspins nach hinreichender Beleuchtung bevorzugt entlang der Richtung der optischen Beleuchtung durch den Laser. Zudem fluktuierten die Kernspins in ihrer Orientierung deutlich weniger – sowohl in dieser longi­tudinalen Richtung als auch transversal senkrecht zur Beleuchtungs­richtung. Eine solche Verringerung der Fluk­tuationen eines quanten­mechanischen Zustands nennt man Quetschung. Das Forschungsteam konnte damit erstmals die Quetschung eines solchen kollektiven Kernspin­zustands beobachten.

Durch die Quetschung wurde der vorhergesagte dunkle Kernspin­zustand erreicht, der unempfindlich gegen eine weitere optische Anregung ist. Wegen der daraus resultierenden Robustheit könnte er genutzt werden, um quantenmechanische Informationen zu speichern – eine wichtige Voraussetzung für viele Quanten­technologien wie einen Quantencomputer.

TU Dortmund / JOL