Spins mit Schall einfangen

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. Forscher*innen des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik in Berlin, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und des Ioffe-Instituts in St. Petersburg berichten jetzt in Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.abj5030) über die gezielte Schallwellen-Manipulation von Elektronenspins im Grund- und im angeregten Zustand. Ihr Ansatz 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 – die Qubits – 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 Dr. Georgy Astakhov vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR.

Sein Teamkollege Dr. Alberto Hernández-Mínguez vom Paul-Drude-Institut führt das Thema weiter aus: „Typischerweise wird dies 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 und den Wasserwellen auf einem See ähneln. Sie werden häufig in Mikrochips als Hochfrequenzfilter, Oszillatoren und Transformatoren eingesetzt und in aktuellen elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Tablets und Laptops verbaut.“

Den Spin zum Sound einer Oberfläche stimmen

In ihrer Arbeit demonstrieren die Forscher*innen den Einsatz von akustischen Oberflächenwellen zur Steuerung von Elektronenspins in Siliziumkarbid, einem Halbleiter, der Silizium in vielen Anwendungen ersetzen könnte, die Hochleistungselektronik erfordern. „Man kann sich diese Steuerung wie das Stimmen einer Gitarre mit einem normalen elektronischen Stimmgerät vorstellen“, wirft Dr. Alexander Poshakinskiy vom Physikalisch-Technischen Institut Ioffe in Sankt Petersburg ein und fährt fort: „Nur dass es in unserem Experiment etwas komplizierter ist: Ein Magnetfeld stimmt die Resonanzfrequenzen des Elektronenspins auf die Frequenz der akustischen Welle ab, während ein Laser Übergänge zwischen dem Grund- 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 Wissenschaftler*innen, den Elektronenspin gleichzeitig sowohl im Grundzustand als auch im angeregten Zustand durch die akustische Welle zu steuern.

An diesem Punkt bringt Hernández-Mínguez einen weiteren physikalischen Prozess ins Spiel: die Präzession. „Jeder, der als Kind mit einem Kreisel gespielt hat, kennt die Präzession als Veränderung der Ausrichtung der Drehachse, wenn wir versuchen, den Kreisel zu kippen. Einen elektronischen Spin können wir uns auch als winzigen Kreisel vorstellen, in unserem Fall mit einer Präzessionsachse, die unter dem Einfluss einer akustischen Welle steht und die jedes Mal die Ausrichtung ändert, wenn das Farbzentrum zwischen Grund- 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 Grund- 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. In ihrer Arbeit zeigen die Forscher*innen einen Weg, dies zu verhindern: Durch eine geeignete Stimmung der Resonanzfrequenzen des Farbzentrums werden die Präzessionsachsen des Spins im Grund- und im angeregten Zustand kollinear: Die Spins behalten ihre Präzessionsorientierung entlang einer wohldefinierten Richtung bei, auch wenn sie zwischen Grund- und angeregtem Zustand hin- und herspringen.

Unter dieser besonderen Bedingung wird die im Elektronenspin gespeicherte Quanteninformation von den durch den Laser verursachten Sprüngen zwischen Grund- 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.

Publikation:

A. Hernández-Mínguez, A. V. Poshakinskiy, M. Hollenbach, P. V. Santos und G. V. Astakhov, Acoustically induced coherent spin trapping, in Science Advances, 2021 (DOI: 10.1126/sciadv.abj5030)

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Dr. Alberto Hernández-Mínguez
Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik
Tel: +49 30 20377 504 | E-Mail: alberto.h.minguez@pdi-berlin.de

Dr. Georgy Astakhov
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel: +49 351 260 3894 | E-Mail: g.astakhov@hzdr.de

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Dr. Georgy Astakhov
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel: +49 351 260 3894 | E-Mail: g.astakhov@hzdr.de

Originalpublikation:

A. Hernández-Mínguez, A. V. Poshakinskiy, M. Hollenbach, P. V. Santos und G. V. Astakhov, Acoustically induced coherent spin trapping, in Science Advances, 2021 (DOI: 10.1126/sciadv.abj5030)

Weitere Informationen:

https://www.hzdr.de/presse/trapping_spins_with_sound