27.07.2023

Überlagerung in Quantenpunkten

Strahlende Auger-Prozesse ermöglichen Quantenbits aus Halbleiter-Nanostrukturen.

Einem deutsch-chinesischen Forschungsteam ist es gelungen, ein Quantenbit in einer Halbleiter-Nanostruktur zu realisieren. Mithilfe eines besonderen Energie­übergangs erzeugten die Forschenden in einem Quantenpunkt einen überlagerten Zustand, in dem ein Elektronenloch gleichzeitig zwei verschiedene Energieniveaus besaß. Solche Überlagerungs­zustände sind die Basis für das Quanten­computing. Die Anregung des Zustands benötigt normalerweise einen Laser, der Licht im Terahertz-Bereich ausstrahlt. Diese Wellenlänge ist jedoch zu groß, um den Strahl auf den winzigen Quantenpunkt fokussieren zu können. Nun gelang die Anregung nun mit zwei fein aufeinander abgestimmten kurz­welligen Lasern.

Abb.: Forschenden um Hans-Georg Babin (l.) und Arne Ludwig ist es gelungen, ein...
Abb.: Forschenden um Hans-Georg Babin (l.) und Arne Ludwig ist es gelungen, ein Quantenbit in einer Halbleiter-Nanostruktur zu realisieren. (Bild: Marquard, RUB)

Das Team um Feng Liu von der Zhejiang University in Hangzhou machte sich gemeinsam mit einer Gruppe um Arne Ludwig von der Ruhr-Universität Bochum sowie weiteren Forschenden aus China und Groß­britannien den strahlenden Auger-Prozess zunutze: Ein Elektron fällt von einem höheren auf ein niedrigeres Energie­niveau und gibt dabei seine Energie teils in Form eines einzelnen Lichtteilchens ab, teils überträgt es die Energie auf ein anderes Elektron. Der gleiche Prozess kann auch bei Elektronen­löchern beobachtet werden. 2021 war es einem Forschungsteam erstmals gelungen, den strahlenden Auger-Prozess gezielt in einem Halbleiter anzuregen.

Nun zeigten die Forschenden, dass der strahlende Auger-Prozess kohärent manipuliert werden kann: Sie nutzten zwei verschiedene Laser­strahlen, deren Intensitäten in einem bestimmten Verhältnis zueinander­standen. Mit dem ersten Laser hievten sie ein Elektron-Loch-Paar im Quanten­punkt auf ein höheres Energieniveau. So entstand ein Quasiteilchen aus zwei Löchern und einem Elektron. Mit einem zweiten Laser lösten sie den strahlenden Auger-Prozess aus, um eines der Löcher in nochmals höhere Energiezustände zu bringen. Mithilfe fein abgestimmter Laserpulse erzeugte das Team eine Überlagerung zwischen dem Loch-Grund­zustand und dem höheren Energie­zustand. Das Elektronenloch existierte also gleichzeitig in beiden Zuständen. Solche Überlagerungen sind die Basis für Quantenbits.

Die hochreinen Halbleiterproben für das Experiment produzierte Hans-Georg Babin an der Ruhr-Universität Bochum unter der Leitung von Arne Ludwig am Lehrstuhl für Festkörper­physik von Andreas Wieck. Hierbei wurde unter anderem die Ensemble-Homo­genität der Quantenpunkte erhöht und auf eine hohe Reinheit der hergestellten Strukturen geachtet. Diese Maßnahmen erleich­terten den chinesischen Partnern um Jun-Yong Yan und Feng Liu die Durchführung der Experimente.

RUB / JOL

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