Forschung

Spins mit Schall einfangen

01.11.2021 - Akustische Manipulation von Elektronenspins könnte zu verbesserter Quantenkontrolle führen.

Farbzentren sind Gitterdefekte in Kristallen, die ein oder mehrere zusätz­liche Elek­tronen einfangen können. Der Spin dieser Elektronen reagiert sehr empfind­lich auf äußere elek­trische und magnetische Felder – und auf Schall. Ein Forscher­team aus Russland und Deutsch­land ist jetzt die gezielte Schall­wellen-Mani­pu­lation von Elektronen­spins im Grund­zustand und im ange­regten Zustand gelungen. Das öffnet den Weg zu neuen, bisher unzu­gäng­lichen Methoden der Verarbei­tung von Quanten­infor­mation.

Die eingefangenen Elektronen absorbieren typischer­weise Licht im sicht­baren Spektrum, so dass ein trans­parentes Material, beispiels­weise Diamant, durch solche Zentren farbig wird. „Farbzentren gehen oft mit bestimmten magnetischen Eigen­schaften einher, was sie zu viel­ver­sprechenden Systemen für Anwendungen in der Quanten­techno­logie macht, wie Quanten­speicher oder Quanten­sensoren. Die Heraus­forderung besteht darin, effiziente Methoden zu entwickeln, um die magnetische Quanten­eigen­schaft von Elektronen oder in diesem Fall ihre Spin-Zustände zu kontrol­lieren“, erklärt Georgy Astakhov vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossen­dorf.

Typischerweise wird das durch die Anwendung elektro­magnetischer Felder realisiert, aber eine alternative Methode ist die Nutzung mechanischer Schwingungen, wie etwa akustische Ober­flächen­wellen. Dabei handelt es sich um Schall­wellen, die auf die Ober­fläche eines Fest­körpers begrenzt sind.

Die Forscher demonstrieren den Einsatz von akustischen Ober­flächen­wellen zur Steuerung von Elektronen­spins in Silizium­karbid, einem Halb­leiter, der Silizium in vielen Anwendungen ersetzen könnte, die Hoch­leistungs­elektronik erfordern. Bei dem Experiment stimmt ein Magnetfeld die Resonanz­frequenzen des Elektronen­spins auf die Frequenz der akustischen Welle ab, während ein Laser Übergänge zwischen dem Grund­zustand und dem angeregten Zustand des Farb­zentrums induziert.

Diese optischen Übergänge spielen eine funda­mentale Rolle: Sie ermöglichen die optische Detektion des Spin­zustands, indem sie die Licht­quanten regis­trieren, die bei der Rückkehr des Elektrons in den Grund­zustand ausge­sendet werden. Dank einer starken Wechsel­wirkung zwischen den perio­dischen Schwingungen des Kristall­gitters und den in den Farb­zentren gefangenen Elektronen gelingt es den Wissen­schaftlern, den Elektronen­spin gleich­zeitig sowohl im Grund­zustand als auch im ange­regten Zustand durch die akustische Welle zu steuern.

Hier kommt ein weiterer physika­lischen Prozess ins Spiel: die Präzession. Die Präzessions­achse eines Spins steht unter dem Einfluss einer akustischen Welle und ändert jedes Mal die Ausrichtung, wenn das Farb­zentrum zwischen Grund­zustand und ange­regtem Zustand springt. Da die Länge der Zeitdauer, die das Farb­zentrum im angeregten Zustand verbringt, zufällig ist, führt der große Unter­schied in der Orien­tierung der Präzessions­achsen im Grund­zustand und im ange­regten Zustand dazu, dass sich die Aus­richtung des Elektronen­spins und damit die darin gespeicherte Quanten­information unkon­trol­liert ändert.

Diese Änderung führt dazu, dass die im elektro­nischen Spin gespeicherte Quanten­information nach mehreren Sprüngen verloren geht. Die Forscher zeigen jetzt einen Weg auf, um das zu verhindern: Durch eine geeignete Stimmung der Resonanz­frequenzen des Farb­zentrums werden die Präzessions­achsen des Spins im Grund­zustand und im angeregten Zustand kollinear: Die Spins behalten ihre Präzessions­orien­tierung entlang einer wohl­defi­nierten Richtung bei, auch wenn sie zwischen Grund­zustand und angeregtem Zustand hin- und her springen.

Unter dieser besonderen Bedingung wird die im Elektronen­spin gespeicherte Quanten­information von den durch den Laser verursachten Sprüngen zwischen Grund­zustand und Anregungs­zustand entkoppelt. Diese Technik der akustischen Mani­pu­lation bietet neue Möglich­keiten für die Verarbeitung von Quanten­information in Quanten­geräten mit ähnlichen Abmessungen wie die heutiger Mikrochips. Dies dürfte erhebliche Auswirkungen auf die Herstellungs­kosten und damit auf die Verfügbar­keit von Quanten­techno­logien für die Allgemein­heit haben.

HZDR / RK

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