Vom Qubit zum Qutrit

Elektronen, die sich frei bewegen, können in der Nähe einer Oberfläche anscheinend doch stehende Wellen ausbilden. Wie ein spanisches Forscherteam herausfand, weisen Elektronen über einem mit einer organischen Schicht bedeckten Kupferkristall eine überraschende Periodizität auf. Diese Elektronen sind also frei und doch diskret in ihren Zuständen, was die Möglichkeit eröffnet, mit sorgfältig strukturierten Supergittern neuartige elektronische Bauteile zu entwerfen. Die Verschränkung ist auch einer der Gründe dafür, warum Quantensysteme auf andere Weise zur Ruhe kommen als klassische Systeme. Noch ist nämlich nicht gut verstanden, wie mikroskopische Systeme sich hin zu Gleichgewichtszuständen bewegen.

Elektronen können auch eine gespaltene Persönlichkeit aufweisen. Zwingt man sie dazu, sich in nur einer Dimension wie auf einer Kette hintereinander zu bewegen, spalten sich ihre Eigenschaften auf. Die stehenden Spin- und Ladungsdichtewellen, die sich dann herausbilden, trennen sich voneinander, so dass Elektronen sich in einer solchen Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit wie Quasiteilchen aus diesen beiden Wellen verhalten. Auch eine andere Gruppe hat Elektronen wie auf einer Perlenkette eindimensional aufgereiht. Dazu nutzten die Forscher Quantenpunktkontakte in topologischen Isolatoren. Eine andere, lange gesuchte Art von Quasiteilchen ist gleich mehreren Forschergruppen ins Netz gegangen: Rarita-Schwinger-Fermionen wurden schon 1941 vorhergesagt, ließen sich aber erst jetzt in einem chiralen und zugleich topologischen Material finden.

Phononen dank Tunneltrick und dreidimensionales Graphen

Technologisch interessant ist die Entwicklung eines Phononen-Lasers, der auf einem echten nanomechanischen Oszillator basiert. Mit Hilfe eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens, das zwischen zwei Kontakte eingespannt ist und per Tunnelstrom einzelner Elektronen zu vibrieren beginnt, ließ sich so nun lasertypisches Verhalten erzielen – allerdings noch ohne gerichtete Aussendung der Phononen. Das Bauprinzip könnte durchaus auch als Kraftsensor einsetzbar sein. Auch der Wärmetransport in Suprafluiden bei tiefen Temperaturen tritt wellenförmig über Phononen auf. Diesen Effekt – aufgrund der Ähnlichkeit zu Schallwellen auch zweiter Schall genannt – konnten Forscher des MIT nun auch bei Graphit bei überraschend hohen Temperaturen nachweisen. Dabei kehrte sich wie bei einer Wellenbewegung die Richtung des Wärmeflusses für gewisse Zeit wieder um. Dieser zweite Schall könnte vielleicht in Graphen für eine effiziente Kühlung elektronischer Bauteile führen. Die mechanischen Oszillationen von Ionen hingegen standen im Fokus einer anderen Forschergruppe. Dank einer ausgeklügelten Ionenkontrolle konnten die Wissenschaftler Beryllium-Ionen bis hin zu Schwingungsquantenzahlen von 100 anregen und Überlagerungszustände von Grundzustand und angeregtem Zustand bis hin zu Schwingungsquantenzahlen von 18 erzielen, was sowohl für die Quanteninformationsverarbeitung wie für metrologische Zwecke einen wichtigen Fortschritt darstellt.