Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die „dunkle“ Seite der Spin-Physik

16.01.2018

Forscherinnen und Forscher des Instituts für Festkörperphysik der TU Berlin ist es in Kooperation mit dem Forschungsinstitut Technion in Haifa, Israel, gelungen, neuartige Quanten-Informationsträger zu realisieren, die in der Quanten-Informationsverarbeitung eingesetzt werden könnten.

Quantencomputer sind in aller Munde und werden weltweit erforscht. International führende Teams setzen dafür neuerdings auch auf sogenannte „dunkle Exzitonen“ als Informationsträger. Diese speziellen „Quasipartikel“, welche aus gebundenen Elektron-Lochpaaren in einem Festkörperkristall bestehen, stellen vielversprechende Kandidaten für Quanten-Informationsträger dar – den sogenannten Quantenbits oder auch Qubits.


Rasterkraftmikroskopische Aufnahme einer gezielt über einem Quantenpunkt fixierten Mikrolinse. Der Spin-Zustand des dunklen Exitons in dem Quantenpunkt birgt die Quanteninformation, also das Qubit.

© Dr. Tobias Heindel

„Ein Qubit auf der Basis eines dunklen Exzitons ist in der Lage, in seinem Spin-Zustand Information zu speichern. Das kann man sich ähnlich wie ein klassisches Bit in einem Computer vorstellen. Im Gegensatz zu einem klassischen Bit jedoch ist ein Qubit nicht nur in der Lage, den Zustand ‚1‘ oder ‚0‘ zu repräsentieren, sondern kann prinzipiell unendlich viele Zwischenzustände annehmen“, erklärt Dr. Tobias Heindel, Mitarbeiter der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stephan Reitzenstein, Fachgebietsleiter der Optoelektronik und Quantenbauelemente an der TU Berlin.

Bei der Verwendung dunkler Exzitonen gibt es jedoch ein Problem: Wie ihr Name bereits vermuten lässt, sind sie für sich betrachtet nicht in der Lage, Licht auszusenden und damit schwer aufspürbar. Gerade die Dunkelheit macht diese Exzitonen aber auch interessant für ihre Anwendung als Quantenspeicher:

Wurde ein dunkles Exziton erst einmal erzeugt, so kann dieses die Information über eine Mikrosekunde lang speichern – und damit um den Faktor tausend länger als in üblichen hellen Exziton-Zuständen.
Nun ist es dem Team von der TU Berlin zusammen mit dem israelischen Forscherteam nicht nur gelungen, den Spin-Zustand und damit die Information eines dunklen Exzitons auszulesen, sondern dieses gezielt in einem Nanobauteil zu lokalisieren.

Das Nanobauteil, in welchem die Forscher dunkle Exzitonen isolieren konnten, ist ein Halbleiter-Quantenpunkt, der in dem Brennpunkt einer mikroskopisch kleinen Linse sitzt. Um das dunkle Exziton jedoch überhaupt erst erzeugen und anschließend seinen Spin-Zustand auslesen zu können, nutzten die Forscherinnen und Forscher einen Trick, den die israelischen Kooperationspartner im Jahre 2010 entwickelt haben:

Man entlockt dem Quantenpunkt die in dem Spin-Zustand gespeicherte Quanteninformation durch ein weiteres gezielt eingebrachtes Elektron, welches das Exziton - vereinfacht ausgedrückt - von dunkel auf hell schaltet. Nun kann das Exziton ein detektierbares Lichtquant aussenden. Der Clou: Die Polarisation dieses Lichtteilchens birgt die Information über den Spin-Zustand des ursprünglichen dunklen Exzitons.

Der große Vorteil gegenüber den bisherigen Experimenten liegt hier in dem an der TU Berlin entwickelten Nanobauteil. Eine spezielle mikroskopische Linse wird in einem einzigartigen und weltweit nur in der AG Reitzenstein beherrschten Verfahren gezielt über den zuvor ausgewählten Quantenpunkt gesetzt.

„Die Linse sammelt die ausgestrahlten Lichtquanten und bündelt sie in Richtung des Detektors. So kann der Spin-Zustand des dunklen Exzitons deutlich häufiger ausgelesen werden als ohne diese Linse, was später entscheidend für die Übertragungsrate der Quanteninformation sein wird. Durch diese Demonstration konnten wir zeigen, dass dunkle Exzitonen als langlebige Qubits eingesetzt werden können, wodurch künftig Anwendungen in der Quanten-Informationsverarbeitung möglich werden“, so Heindel.

Die experimentellen Arbeiten zu diesem neuartigen Quanten-Informationsträger wurden von Dr. Tobias Heindel und seinen Kolleginnen und Kollegen zu Teilen in der AG Reitzenstein an der TU Berlin sowie in der Forschungsgruppe von Prof. Dr. David Gershoni am Forschungsinstitut Technion (Israel Institute of Technology) in Haifa, Israel, durchgeführt. Diese Forschung wurde von der German-Israeli Foundation for Scientific Research and Development gefördert.

Der Artikel wurde in der Open Access Fachzeitschrift APL Photonics des American Institutes of Physics publiziert* und als wichtiger Durchbruch auf dem Gebiet hervorgehoben.

http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5004147

* T. Heindel et al., Accessing the dark exciton spin in deterministic quantum dot microlenses, APL Photonics 2, 121303 (2017).

Foto zum Download: http://www.tu-berlin.de/?191981

Weitere Informationen erteilt Ihnen gern:
Dr. Tobias Heindel
TU Berlin
Institut für Festkörperphysik
E-Mail: tobias.heindel@tu-berlin.de

Weitere Informationen:

http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5004147
http://www.tu-berlin.de/?191981

Stefanie Terp | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lasing am Limit
15.02.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Forschung für die LED-Tapete der Zukunft
15.02.2018 | Universität Bremen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Im Focus: Demonstration of a single molecule piezoelectric effect

Breakthrough provides a new concept of the design of molecular motors, sensors and electricity generators at nanoscale

Researchers from the Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS (IOCB Prague), Institute of Physics of the CAS (IP CAS) and Palacký University...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Optiktage: Expertenwissen in zwei Konferenzen für die Glas- und Kunststoffoptikfertigung

19.02.2018 | Veranstaltungen

Konferenz "Die Mobilität von morgen gestalten"

19.02.2018 | Veranstaltungen

Von Bitcoins bis zur Genomchirurgie

19.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zukunft wird gedruckt

19.02.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer HHI präsentiert neueste VR- und 5G-Technologien auf dem Mobile World Congress

19.02.2018 | Messenachrichten

Stabile Gashydrate lösen Hangrutschung aus

19.02.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics