Künstliche Atome aus Bochum: Das "Rauschen" im Atom hat System

02.03.2010: Die Herstellung "künstlicher Atome" aus Indium-Arsenid ist eine Bochumer Spezialität: Sehr rein und präzise gewachsen lassen sie sich maßschneidern und sind damit die ideale Basis für die Untersuchung der Quantenmechanik und ihrer Anwendung, z.B. in künftigen Supercomputern. In der Zeitschrift "Physical Review Letters" beschreiben die Forscher um Prof. Dr. Andreas Wieck (Fakultät für Physik und Astronomie der RUB) jetzt die Entdeckung einer bislang unvermuteten Beziehung zwischen den Elektronen dieser künstlichen Atome, die Rückschlüsse auf die Lebensdauer ihrer Quantenzustände zulässt.

Unvorhergesehene Beziehungen

Die künstlichen Atome, auch "quantum dots" genannt, enthalten einige 10.000 Atome (In und As) und sind um zehn Nanometer klein. "Während einzelne Atome sozusagen naturgegeben sind, können wir diese künstlichen Atome gezielt in ihrer Größe und Zusammensetzung maßschneidern", erklärt Prof. Wieck. Das so genannte Rauschen der in den Atomen enthaltenen Elektronen, das dadurch entsteht, dass sie etwa ihre Anzahl oder ihre Dreh-Richtung (Spin) verändern, wurde bislang als störend angesehen. In einer internationalen Kooperation haben die Bochumer Forscher gemeinsam mit Dr. Scott Crooker (Los Alamos, USA) und das Team von Prof. Dr. Manfred Bayer (TU Dortmund) aber jetzt herausgefunden, dass sich bei hinreichend langer Beobachtungszeit in Magnetfeldern doch eine Beziehung zwischen den vielen Elektronen in diesen künstlichen Atomen feststellen lässt. Diese Beobachtung wurde noch nicht theoretisch vorhergesagt und hängt von der Richtung im Kristall ab: Kristalle haben aufgrund ihrer mikroskopisch regelmäßigen Zusammensetzung ausgezeichnete Richtungen, z.B. entlang der Atomreihen, senkrecht zu ihnen usw.

Lebensdauer der Quantenzustände ist ablesbar

"Diese Beobachtung war nur unter Einsatz riesiger Messdatenmengen möglich, die in Echtzeit verarbeitet werden mussten: Rund ein Terabyte in acht Minuten", beschreibt Prof. Wieck. "Aus den Ergebnissen lassen sich die Lebensdauern der elektronischen Quantenzustände ablesen, die für die Entwicklung von so genannten Quantencomputern sehr wichtig sind."

Originalveröffentlichung: S. A. Crooker, J. Brandt, C. Sandfort, A. Greilich, D. R. Yakovlev, D. Reuter, A. D. Wieck, and M. Bayer: "Spin Noise of Electrons and Holes in Self-Assembled Quantum Dots."; Phys. Rev. Lett. 104, 36601 (2010).