Quantenmechanisch verschränkte Elektronen en masse

  • 10. October 2012

Kohlenstoffnanoröhrchen auf Supraleiter ergeben eine effiziente Quelle von Cooper-Paaren.

Obwohl Physiker Photonen schon seit einiger Zeit verschränken können, ist die Kontrolle darüber jedoch noch limitiert. Für Elektronen wird die Verschränkung zusätzlich erschwert durch ihre Ladung und der dadurch auftretenden Wechselwirkungen. Baseler Physikern ist es nun erstmals gelungen, eine hohe Ausbeute in einem Prozess zu erreichen, der verschränkte Elektronen generiert. Als Quelle diente den Forschern ein Supraleiter, in dem je zwei Elektronen Cooper-Paare bilden. Diese sind zum Beispiel für das Verschwinden des elektrischen Widerstandes in Supraleitern verantwortlich. Wichtig hier ist, dass Elektronen in einem Cooper-Paar verschränkt sind und daher eine natürlich Quelle solcher Zustände bildet.

Quelle für verschränkte Elektronen mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) als zentralem Element

Abb.: Quelle für verschränkte Elektronen mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) als zentralem Element (Bild: U. Basel)

Um nun die Elektronen eines Cooper-Paars räumlich zu trennen, verwendeten die Forscher zwei getrennte Quantenpunkte aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, durch die jeweils ein elektrischer Strom aus dem Supraleiter geleitet wird. Ein Quantenpunkt ist eine nanoelektronische Struktur, die nur ein Elektron auf einmal durchlässt. Da es im Idealfall keine einzelnen Elektronen in einem Supraleiter geben darf, können Elektronen den Supraleiter nur verlassen, wenn ein Cooper-Paar aufbricht und die zwei Elektronen sich trennen. Somit stehen den Wissenschaftlern räumlich getrennte Paare verschränkter Elektronen zur Verfügung. Zudem wird aus dem ursprünglichen Nachteil der Elektronenladung ein Vorteil, da sich so das Aufbrechen der Cooper-Paare elektrisch kontrollieren lässt.

Das Prinzip dieser Cooper-Paar-Aufspaltung konnte die Forschungsgruppe schon früher zeigen, jedoch mit sehr geringer Ausbeute. Jetzt konnten die Physiker das Verhalten der Elektronen auf den Quantenpunkten untersuchen und die resultierenden Ströme vergleichen. Das Resultat, dass fast alle der austretenden Elektronen aus aufgespaltenen Cooper-Paaren stammen können, ebnet den Weg, verschränkte Elektronen als Fundament in Quantencomputern zu nutzen.

U. Basel / OD

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