Frage der Wechselwirkung zwischen Spins in Halbleiter-Quantenpunkt-Ensembles gelöst
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Dass Spins in Ensembles von Halbleiter-Quantenpunkten, die als Kandidaten für Quanten-Bits – sogenannte Qubits – in Quantencomputern im Gespräch sind, miteinander wechselwirken, ist schon seit längerer Zeit bekannt und experimentell belegt. Unklar war jedoch bislang, welcher Mechanismus dahintersteckt. Dieses Rätsel konnte nun ein Team aus der Theoretischen Festkörperphysik um Prof. Frithjof Anders von der Fakultät Physik der TU Dortmund lösen. Ihre Erkenntnisse haben die Wissenschaftler*innen kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Quantenpunkt-Ensembles kann man sich vereinfacht als eine zweidimensionale Fläche vorstellen, auf der unterschiedlich große Punkte in unregelmäßigen Abständen verteilt sind. In diesen Punkten wird je ein Elektronenspin – der Eigendrehimpuls von Elektronen – lokalisiert. Die Abstände zwischen ihnen sind so groß, dass eigentlich keine Interaktion zwischen den einzelnen Spins stattfinden dürfte. Experimente mit Laserpulsen haben jedoch gezeigt, dass die Spins auf Laser mit unterschiedlichen Frequenzen reagieren, es also sehr wohl eine Wechselwirkung gibt. „Die Arbeitsgruppe von Prof. Manfred Bayer aus der Fakultät Physik konnte bereits 2011 experimentell nachweisen, dass die Spins miteinander wechselwirken. Für mögliche Anwendungen ist es aber unabdingbar, auch den Mechanismus hinter der Wechselwirkung zu verstehen“, sagt Prof. Frithjof Anders.
Ergebnisse erfolgreich reproduziert
Das Team hat daher ein theoretisches Modell erstellt, es anhand realistischer Grundannahmen eingeschränkt und die Parameter so gewählt, dass die experimentellen Ergebnisse reproduziert werden konnten. „Wir konnten letztlich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den theoretischen Ergebnissen feststellen“, berichtet Frederik Vonhoff. Mithilfe des Modells ist es nun möglich, vorherzusagen, wie die Wechselwirkungen gezielt beeinflusst und für bestimmte Anwendungen angepasst werden können. Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, dass zukünftig die Integration von Hardware zur Quanteninformationsverarbeitung in Standard-Computerhardware besser gelingt.
Die Forschungsarbeiten sind im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregios 160 „Kohärente Manipulation wechselwirkender Spinanregungen in maßgeschneiderten Halbleitern“ entstanden. An der Publikation, die kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, waren aus dem Team von Prof. Frithjof Anders maßgeblich auch Frederik Vonhoff und Andreas Fischer sowie Kira Deltenre beteiligt.
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