Meilenstein auf dem Weg zur Erzeugung von quantenmechanisch verschränkten Elektronen

Die Forschungsgruppe von Professor Christian Schönenberger an der Universität Basel hat nun erstmals gezeigt, dass eine Quelle für verschränkte Elektronen mit grosser Ausbeute möglich ist, was essentiell für weiterführende Experimente ist. Die Resultate wurden kürzlich in der Fachzeitschrift «Physical Review Letters» publiziert.

Unsere Alltagserfahrung lässt uns oft im Stich, wenn es darum geht, quantenphysikalische Phänomene zu verstehen. So nehmen wir gemeinhin zwei räumlich getrennte Teilchen als eigenständige Objekte wahr. In der Quantenmechanik existiert jedoch das Phänomen der Verschränkung, bei dem zwei Teilchen nicht als einzelne Objekte, sondern nur zusammen zu verstehen sind – unabhängig von der Distanz zwischen ihnen.

Natürliche Quelle von verschränkten Elektronen

Schon Albert Einstein hatte erkannt, dass zwei Teilchen auf so mysteriöse Weise über grosse Distanzen verbunden sein können und nannte dies skeptisch «spukhafte Fernwirkung». Seither wurde quantenmechanische Verschränkung mehrfach nachgewiesen, was von grösster Bedeutung für die moderne Physik ist.

Obwohl für Lichtteilchen (Photonen) Verschränkung schon vor einiger Zeit gezeigt wurde, war die Kontrolle darüber minim. Für Elektronen wird die Verschränkung zusätzlich erschwert durch ihre Ladung und der dadurch auftretenden Wechselwirkungen. Den Physikern Jens Schindele und Dr. Andreas Baumgartner in der Forschungsgruppe von Prof. Christian Schönenberger an der Universität Basel 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 sogenannte 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.

Kontrollierte Paar Aufspaltung möglich

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, dass Elektronen eine elektrische Ladung besitzen, ein Vorteil, indem das Aufbrechen der Cooper-Paare elektrisch kontrolliert werden kann.

Das Prinzip dieser Cooper-Paar Aufspaltung wurde von derselben Forschungsgruppe schon früher gezeigt, jedoch mit sehr geringer Ausbeute. Neu konnte das Verhalten der Elektronen auf den Quantenpunkten untersucht und die resultierenden Ströme verglichen werden. Das Resultat, dass fast alle der austretenden Elektronen aus aufgespaltenen Cooper-Paaren stammen können, ebnet den Weg, verschränkte Elektronen als Fundament einer neuen Art der Informationsverarbeitung zu verwenden, zum Beispiel in einem Quantencomputer.

Originalbeitrag
J. Schindele, A. Baumgartner, and C. Schönenberger
Near-Unity Cooper Pair Splitting Efficiency
Phys. Rev. Lett. 109, 157002 (2012) | doi: 10.1103/PhysRevLett.109.157002
Weitere Auskünfte
Dr. Andreas Baumgartner, Departement Physik der Universität Basel, Tel. +41 61 267 39 06, E-Mail: andreas.baumgartner@unibas.ch