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Deutsches Logo - Fakultät Physik - TU Dortmund
Physikgebäude (Neubau Otto-Hahn-Str. 4a) an der TU Dortmund © Nikolas Golsch​/​TU Dortmund
VERÖFFENTLICHUNG IN „NATURE COMMUNICATIONS“

Forschungsteam beobachtet erstmals Quetschung eines dunklen Kernspinzustands

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Schematische Erklärung der Kernspin Quetschung © Kirstein, E., Smirnov, D.S., Zhukov, E.A. et al. 2023
Verteilungsfunktion der Kernspins, links vor der Beleuchtung mit dem Laser, rechts nach Beleuchtung und Ausbildung des dunklen Zustands. Deutlich sichtbar ist die „Quetschung“ nach der Beleuchtung. Darunter ist schematisch die Struktur des Formamidinium-Blei-Tribromid-Kristalls gezeigt, wobei die roten Pfeile geänderte Ausrichtung der Kernspins der Bleiatome andeuten.
Quantenmechanische Zustände, die aus vielen Teilchen bestehen, sind wesentlich robuster gegenüber Störungen, die in diesem Zustand gespeicherte Information bedrohen, als entsprechende Einteilchen-Zustände. Vor mehr als 20 Jahren haben Forscher*innen einen besonders robusten Vielteilchenzustand von Kernspins – den Drehimpulsen von Atomkernen – theoretisch vorhergesagt: Dieser „dunkle Kernspinzustand“ entsteht durch Bestrahlung mit Laserlicht, wird nach seiner Ausbildung aber immun gegen Beleuchtung und damit dunkel. Einem internationalen Team unter Beteiligung von Forscher*innen der Fakultät Physik der TU Dortmund ist es nun gelungen, diesen Zustand experimentell zu demonstrieren. Diese Erkenntnisse wurden kürzlich im renommierten Fachmagazin „Nature Communications“ veröffentlicht.

Die Forscher*innen haben zunächst einen geeigneten Kristall aus der Gruppe der Perowskite, nämlich Formamidinium-Blei-Tribromid, chemisch synthetisiert. Polarisierte Lichtpulse orientieren dann die Spins von positiv geladenen Ladungsträgern in diesem Kristall. Kommen die positiven Ladungsträger in Kontakt mit Bleikernen im Kristall, übertragen sie ihren Spin an die Kernspins der Bleiatome. Durch diese Wechselwirkung entsteht schließlich ein kollektiver Kernspinzustand. Die beteiligten Kernspins – mindestens 35 davon – agieren demnach nicht mehr unabhängig voneinander, wie eine detaillierte Analyse zeigt, sondern sind miteinander gekoppelt. Die Abhängigkeit zwischen den Kernspins nennt man in der Quantenmechanik „Verschränkung“.

Zustand womöglich für Quantentechnologien nutzbar

Durch die Wechselwirkung wurde im Experiment die Orientierung der Kernspins der Bleiatome ganz spezifisch geändert. Während sie vor der Beleuchtung mit dem Laserlicht ungeordnet war – geprägt von der quantenmechanischen Unschärferelation – orientierten sich die Kernspins nach hinreichender Beleuchtung bevorzugt entlang der Richtung der optischen Beleuchtung durch den Laser. Zudem fluktuierten die Kernspins in ihrer Orientierung deutlich weniger – sowohl in dieser longitudinalen Richtung als auch transversal senkrecht zur Beleuchtungsrichtung. Eine solche Verringerung der Fluktuationen eines quantenmechanischen Zustands nennt man Quetschung. Das Forschungsteam konnte damit erstmals die Quetschung eines solchen kollektiven Kernspinzustands beobachten.

Durch die Quetschung wurde der vorhergesagte dunkle Kernspinzustand erreicht, der unempfindlich gegen eine weitere optische Anregung ist. Wegen der daraus resultierenden Robustheit könnte er genutzt werden, um quantenmechanische Informationen zu speichern – eine wichtige Voraussetzung für viele Quantentechnologien wie einen Quantencomputer.

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