Quantenzustände im atomaren Baukasten gesteuert

13.06.2016 - Schweiz

Ein internationales Konsortium mit Forschern der Universität Basel hat ein Verfahren entwickelt, um quantenmechanische Zustände von Elektronen in einem Gitter von Quantentöpfen präzise zu verändern. Mit der Methode können die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Atomsorten und Elektronen erforscht werden, was für die Quantentechnologie unerlässlich ist, berichten die Wissenschaftler im Journal «Small».

Die Anwendung der Quantenmechanik gestaltet sich deshalb schwierig, weil jede Messung den gemessenen Zustand verändert. Technologien wie beispielsweise Quantencomputer können entsprechend nur auf der Basis von bekannten, eindeutig definierten und wenig komplexen Interaktionen zwischen einzelnen Teilchen entworfen werden. Am Departement Physik und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel wurde nun ein Verfahren entwickelt, mit denen man solche Wechselwirkungen an einem gut definierten System studieren kann.

Ähnlich einem Steckbrett in der Elektrotechnik

In der elektronischen Messtechnik und Lehre werden sogenannte Steckbretter verwendet, an denen Prototypen von elektronischen Schaltungen konstruiert und getestet werden können. Das Verfahren des internationalen Konsortiums um Prof. Thomas Jung von der Universität Basel funktioniert ähnlich: Mit der neuen Methode können die Forscher ein Netzwerk von sogenannten Quantentöpfen zum ersten Mal so konfigurieren, dass verschiedene elektronische Quantenzustände entstehen. Ein Quantentopf ist eine künstlich hergestellte Struktur, die die Bewegungsfreiheit eines Teilchens so einschränkt, dass es sich nur in zwei Dimensionen bewegen kann. Damit wird die Komplexität der Teilcheninteraktion verringert und die Messung und deren Auswertung vereinfacht.

Das Forschungsteam hat eine etablierte Methode weiterentwickelt, bei der mithilfe von einem Rastertunnelmikroskop Atome, eines nach dem anderen, versetzt werden, wodurch eindeutig definierte Quantensysteme hergestellt werden. Durch das gezielte Umsetzen von Xenon-Atomen in den Quantentöpfen ist es ihnen somit gelungen, verschiedene Besetzungen zu erzeugen, welche unterschiedlichen Quantenzuständen entsprechen.

Grundlegend für Quantentechnologie

Die Entwicklung der Quantentechnologie ist auf ein detailliertes Verständnis der Wechselbeziehungen verschiedener Elektronenzuständen, zum Beispiel in verschiedenen Atomen angewiesen. Mit der von den Physikern entwickelten Methode können Quantenzustände präzise reproduziert und Interaktionen zwischen verschiedenen chemischen Elementen und gut definierten Elektronenzuständen untersucht werden – eine «unbegrenzte Spielwiese für die Erforschung von Quantenzuständen», wie die Forscher schreiben.

Das Projekt war dank Beiträgen verschiedener Institutionen erfolgreich. Forscher aus Linköping (Schweden) entwarfen die Modelle, die verwendeten Moleküle wurden in Heidelberg (Deutschland) synthetisiert und Wissenschaftler aus San Sebastián (Spanien) führten eine komplizierte spezifische Messung durch.