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Extrem komplexes Experiment Weit entfernte Kernspins mit einem einzelnen Elektron gekoppelt

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Je tiefer man auf die atomare Ebene von Materialien geht, umso komplexer werden physikalische Experimente. Einem Wissenschaftsteam der Universität Basel ist es jetzt, gemeinsam mit internationalen Kollegen, gelungen, weit auseinander liegende Kernspins mit einem einzigen Elektron gekoppelt.

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Illustration eines Halbleiter-Quantenpunkts aus Indiumarsenid/Galliumarsenid (Indium, Gallium, Arsen in gelb, blau und lila). Zwei entferne Kernspins (gelbe Pfeile) sind durch den Spin eines Elektrons miteinander gekoppelt, das um die Atome im roten Bereich kreist (Ausschnitt).
Illustration eines Halbleiter-Quantenpunkts aus Indiumarsenid/Galliumarsenid (Indium, Gallium, Arsen in gelb, blau und lila). Zwei entferne Kernspins (gelbe Pfeile) sind durch den Spin eines Elektrons miteinander gekoppelt, das um die Atome im roten Bereich kreist (Ausschnitt).
(Bild: Universität Basel, Departement Physik)

Basel/Schweiz – Bei den meisten Materialien beeinflussen sich die Kernspins von benachbarten Atomen nur sehr schwach, da die winzigen Kerne tief im Innern der Atome liegen. Anders sieht es bei Metallen aus, die frei bewegliche Elektronen aufweisen. Die Elektronenspins sind in der Lage, weit auseinanderliegende Kernspins miteinander zu koppeln. Diese nach vier Physikern benannte RKKY-Wechselwirkung (Malvin Avram Ruderman, Charles Kittel, Tadao Kasuya und Kei Yosida) wurde bereits in den 50er Jahren des vergangenen Jahrhunderts entdeckt.

Einzelner Elektronenspin verbindet Kernspins

Forscher am Departement für Physik der Universität Basel ist es nun zum ersten Mal gelungen, diesen Mechanismus im Experiment an einem einzigen Elektron zu demonstrieren und mit einer Quanten-Theorie zu beschreiben. Dazu hat das Team um Prof. Richard Warburton ein einzelnes Elektron in einen Quantenpunkt eingeschleust. Mithilfe einer in Basel entwickelten Methode zur Messung der Kernspinresonanz konnten sie zeigen, dass das Elektron Kernspins koppelte, die bis zu fünf Nanometer auseinanderlagen – eine riesige Distanz in der Welt der Kernspins. Relevant sind die Ergebnisse insbesondere für die Entwicklung von Spin-Qubits, die Elektronenspins als Informationsträger nutzen möchten, beschränkt doch die Wechselwirkung die Stabilität der Quanteninformation.

Eine geballte Ladung Physik

„Das ist wohl das komplizierteste Experiment, das unser Team je durchgeführt hat“, sagt Prof. Richard Warburton, Leiter der Forschungsgruppe Nano-Photonics am Basler Departement für Physik. Zugleich zeigt er sich begeistert von der Kooperation unter drei Basler Forschungsgruppen, die dieses Experiment ermöglicht hat. „Es waren so viele verschiedene Aspekte zu beachten – eine Herausforderung, die wir nur dank der großartigen Zusammenarbeit an unserem Departement meistern konnten.“

Die Forschungsgruppe von Prof. Martino Poggio stellte ihre Expertise im Bereich Kernspinresonanz zur Verfügung, während das Team um Prof. Daniel Loss in monatelanger Arbeit die Quanten-Theorie zum Experiment berechnete. Ebenfalls beteiligt war die Ruhr-Universität Bochum, welche die Halbleiter-Chips für das Experiment herstellte.

Das Projekt wurde gefördert vom Nationalen Forschungsschwerpunkt Quantum Science and Technology (NCCR QSIT), vom Schweizerischen Nationalfonds und vom Swiss Nanoscience Institute.

Originalpublikation: Gunter Wüst, Mathieu Munsch, Franziska Maier, Andreas V. Kuhlmann, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, Martino Poggio, and Richard J. Warburton; Role of the electron spin in the nuclear spin coherence in a quantum dot; Nature Nanotechnology (2016), doi: 10.1038/nnano.2016.114

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