05/08/2015

Universität Basel

Quantenzustände in einem Nanoobjekt lassen sich durch mechanisches System manipulieren

Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel haben mithilfe von Federbalken aus einkristallinen Diamanten ein neuartiges Bauteil entwickelt, bei dem ein Quantensystem in ein mechanisches schwingendes System integriert ist. Erstmals konnten die Forschenden zeigen, dass sich mit diesem mechanischen System ein im Federbalken eingebetteter Elektronenspin kohärent manipulieren lässt – und zwar ohne externe Antennen oder komplexe mikroelektronische Strukturen. Die Ergebnisse dieser experimentellen Studie werden in "Nature Physics" veröffentlicht.

Die Gruppe um den Georg-H.-Endress-Professor Patrick Maletinsky hat bereits in vorangegangen Veröffentlichungen beschrieben, dass sich Federbalken aus einkristallinen Diamanten mit einzelnen eingebetteten Elektronen bestens eignen, um den Spin dieser Elektronen zu adressieren. Diese Diamant-Federbalken wurden an mehreren Stellen so modifiziert, dass in ihrem Kristallgitter ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom ersetzt wurde und gleich daneben eine Leerstelle entstand. In diesen «Stickstoff-Vakanzzentren» kreisen einzelne Elektronen, deren Spin oder Eigendrehimpuls in dieser Arbeit untersucht wurde.

Wird nun der Federbalken in Schwingung versetzt, entstehen Spannungen in der Kristallstruktur des Diamanten. Dies hat wiederum einen Einfluss auf den Spin der Elektronen, der bei einer Messung in zwei mögliche Richtungen (nach «oben» oder «unten») zeigen kann. Mithilfe von Fluoreszenzspektroskopie lässt sich diese Ausrichtung des Spins auslesen.

Extrem schnelle Spin-Oszillation
In der aktuellen Veröffentlichung haben die Wissenschaftler die Federbalken nun so geschüttelt, dass sie dadurch erstmals eine kohärente Oszillation des gekoppelten Spins induzieren konnten. Das bedeutet, dass der Eigendrehimpuls der Elektronen kontrolliert in einem schnellen Rhythmus von oben nach unten und umgekehrt wechselt und die Wissenschaftler zu jedem Zeitpunkt den Spinzustand kontrollieren können. Dabei ist diese Oszillation des Spins schnell verglichen mit der Frequenz des Federbalkens. Sie schützt den Spin zudem vor schädlichen Dekohärenz-Mechanismen.

Gut vorstellbar ist eine Anwendung dieser Diamant-Federbalken in der Sensorik, da sich die Auslenkung des Federbalkens über den veränderten Spin erfassen lässt, und zwar potenziell auf eine sehr sensitive Art und Weise. Zudem kann nach den neuen Erkenntnissen der Spin über einen recht langen Zeitraum von annähernd hundert Mikrosekunden kohärent rotiert werden, was die Präzision der Messung erhöht. Eventuell liessen sich Stickstoff-Vakanzzentren auch zur Entwicklung eines Quantencomputers heranziehen. In diesem Fall wäre die in dieser Arbeit gezeigte schnelle Manipulation ihrer Quantenzustände ein entscheidender Vorteil.

Literatur
Arne Barfuss, Jean Teissier, Elke Neu, Andreas Nunnenkamp, Patrick Maletinsky, Strong mechanical driving of a single electron spin, Nature Physics (2015), doi: 10.1038/nphys3411