Elektronen auf rasante Talfahrt geschickt

Internationales Physiker-Team schaltet Quantenbits schneller als eine Lichtschwingung

04.05.2018 - Deutschland

Elektronen in einem Festkörper halten sich vorwiegend in Tälern ihrer Energielandschaft auf. Die Information, in welchem Tal sich ein Elektron befindet, kann als Quantenbit genutzt werden. Physiker der Universitäten Regensburg (Deutschland), Marburg (Deutschland) und Michigan (USA) haben eine Möglichkeit entdeckt, wie man Elektronen zwischen verschiedenen Tälern schneller als eine Lichtschwingung austauschen kann.

Die ungewöhnlichen Eigenschaften des Mikrokosmos können Quantencomputer nutzen, um Datenverarbeitung in Zukunft wesentlich effizienter zu machen. In der Quantenwelt können einem einzelnen Elektron gleichzeitig Eigenschaften aufgeprägt werden, die sich in der klassischen Welt ausschließen – ähnlich der fiktiven Katze von Erwin Schrödinger, die sowohl tot als auch lebendig zugleich ist. Dank dieser Eigenschaft können mit nur einem einzigen Quantenbit zahlreiche Rechenschritte auf einmal durchgeführt werden. Ein möglicher Kandidat für solche Konzepte ist zum Beispiel der quantenmechanische Spin – der Eigendrehimpuls – eines Elektrons.

Seit kurzem eröffnen neuartige Materialklassen wie die Übergangsmetalldichalkogenide (zum Beispiel Molybdändisulfid oder Wolframdiselenid) vollkommen neue Wege für die Quantenphysik. Diese Halbleiter können in der dünnsten vorstellbaren Form hergestellt werden, so dass sie nur noch aus einer einzelnen atomaren Lage bestehen. Auf diesen kleinen Skalen treten Quanteneigenschaften besonders stark hervor. In der elektronischen Struktur dieser Materialien entstehen zwei ungleichwertige Energie-Täler (englisch: „valleys“). Ob sich ein Elektron in dem einen oder dem anderen Tal aufhält, kann mit einer spin-ähnlichen Größe beschrieben werden: mit dem sogenannten Valley-Pseudospin. Außerdem können die Täler mit zirkular polarisiertem Licht gegensätzlicher Helizität adressiert und bevölkert werden. Die Versuche, den Pseudospin als Quantenbit zu verwenden, fasst man unter dem Begriff der „Valleytronik“ zusammen. Damit zukünftige Quantenrechner auch konkurrenzfähig sind, muss der Pseudospin allerdings sehr schnell schaltbar sein.

Das ist nun Forschern am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg gelungen. Sie haben demonstriert, wie der Valley-Pseudospin in einer einzelnen Atomlage von Wolframdiselenid in Rekordzeit umgeschaltet werden kann. An der Regensburger Hochfeld-Terahertz-Quelle werden dazu intensive Lichtimpulse im Terahertz-Spektralbereich erzeugt. Licht als elektromagnetische Welle besteht aus einem rasant schwingenden elektrischen und magnetischen Feld und kann daher verwendet werden, um eine Spannung an einem Halbleiter superschnell ein- und auszuschalten. Elektronen in einer Monolage Wolframdiselenid, die vorher optisch in ein Tal angeregt werden, werden mit den Terahertz-Impulsen beschleunigt. Noch bevor die starke Lichtwelle eine ganze Schwingung vollführt, rekollidiert sie die Ladungen miteinander, wodurch spektral breitbandiges Licht, also Licht verschiedener Farben, ausgesandt wird, sogenannte Seitenbänder.

Die Physiker stellten fest, dass nach der Anregung mit zirkular polarisiertem Licht die Seitenbänder eine stark elliptische Polarisation aufweisen. Das lässt darauf schließen, dass der Pseudospin umgeschaltet wurde und große Anteile des anderen Tals mit umgekehrter Helizität zu den Seitenbändern beitragen. Die Experimente in Regensburg werden durch quantenmechanische Berechnungen aus Marburg und Ann Arbor unterstützt, die die mikroskopische Dynamik modellieren. Die aktuellen Experimente übertragen bereits 66 Prozent der Elektronen von dem einen in das andere Tal innerhalb einer unvorstellbar kurzen Zeit von nur sieben Femtosekunden (eine Femtosekunde ist der Millionste Teil einer Milliardstel Sekunde). Mit Hilfe der Simulation sagen die Forscher eine Effizienz von 96 Prozent für leicht verbesserte Bedingungen voraus. Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt in Richtung Valleytronik und Quanteninformationsverarbeitung bei noch nie da gewesenen, optischen Taktraten dar.

Originalveröffentlichung

F. Langer, C. P. Schmid, S. Schlauderer, M. Gmitra, J. Fabian, P. Nagler, C. Schüller, T. Korn, P. G. Hawkins, J. T. Steiner, U. Huttner, S. W. Koch, M. Kira, and R. Huber; “Lightwave valleytronics in a monolayer of tungsten diselenide“; Nature; 2018

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