Ein alternativer Weg zur Manipulation von Quantenzuständen

Forschende der ETH Zürich haben gezeigt, dass sich Quantenzustände einzelner Elektronenspins durch Ströme von Elektronen steuern lassen, deren Spins gleichgerichtet sind. Diese Methode könnte künftig in elektronischen Schaltelementen Anwendung finden.

Elektronen besitzen einen Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin, wodurch sie sich ähnlich einer Kompassnadel entlang eines Magnetfeldes ausrichten können. Neben der elektrischen Ladung von Elektronen, die ihr Verhalten in elektronischen Schaltkreisen bestimmt, wird ihr Spin zunehmend zur Speicherung und Verarbeitung von Daten genutzt.

Bereits heute sind MRAM-Speicherelemente (Magnetic Random Access Memories) erhältlich, bei denen die Informationen in sehr kleinen, aber noch klassischen Magneten gespeichert sind, die also sehr viele Elektronenspins enthalten. Die MRAMs basieren auf Strömen von Elektronen mit parallel ausgerichteten Spins, die die Magnetisierung an einem bestimmten Punkt in einem Material ändern können.

Pietro Gambardella und seine Mitarbeiter an der ETH Zürich zeigen nun, dass sich solche spinpolarisierten Ströme auch zur Steuerung der Quantenzustände einzelner Elektronenspins nutzen lassen. Ihre soeben veröffentlichten Ergebnisse veröffentlicht im Journal Wissenschaftkönnten künftig in verschiedenen Technologien zum Einsatz kommen, etwa bei der Steuerung von Quantenzuständen von Quantenbits (Qubits).

Tunnelströme in einzelnen Molekülen

„Traditionell werden Elektronenspins mit elektromagnetischen Feldern wie Radiofrequenzwellen oder Mikrowellen manipuliert“, sagt Sebastian Stepanow, leitender Wissenschaftler in Gambardellas Labor. Diese Technik, auch als Elektronenspinresonanz bekannt, wurde Mitte der 1940er Jahre entwickelt und wird seitdem in verschiedenen Bereichen wie der Materialforschung, Chemie und Biophysik eingesetzt.

„Vor einigen Jahren wurde gezeigt, dass man in einzelnen Atomen Elektronenspinresonanz erzeugen kann; der genaue Mechanismus hierfür war bislang allerdings unklar“, sagt Stepanow.

Um die quantenmechanischen Prozesse, die diesem Mechanismus zugrunde liegen, genauer zu untersuchen, präparierten die Forscher Moleküle aus Pentacen (einem aromatischen Kohlenwasserstoff) auf einem Silberträger. Auf den Träger war zuvor eine dünne isolierende Schicht aus Magnesiumoxid aufgebracht worden. Diese Schicht sorgt dafür, dass sich die Elektronen im Molekül mehr oder weniger so verhalten, wie sie es im freien Raum tun würden.

Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops charakterisierten die Forscher zunächst die Elektronenwolken im Molekül. Dazu messen sie den Strom, der entsteht, wenn die Elektronen quantenmechanisch von der Spitze einer Wolframnadel zum Molekül tunneln. Nach den Gesetzen der klassischen Physik dürften die Elektronen den Spalt zwischen Nadelspitze und Molekül nicht überspringen können, da ihnen die nötige Energie fehlt. Die Quantenmechanik erlaubt es den Elektronen jedoch, trotz dieses Mangels durch den Spalt zu „tunneln“, was zu einem messbaren Strom führt.

Miniaturmagnet auf einer Nadelspitze

Dieser Tunnelstrom lässt sich spinpolarisieren, indem man mit der Wolframspitze zunächst einige Eisenatome aufnimmt, die sich ebenfalls auf der Isolierschicht befinden. Auf der Spitze bilden die Eisenatome eine Art Miniaturmagnet. Fließt nun ein Tunnelstrom durch diesen Magneten, richten sich die Spins der Elektronen im Strom alle parallel zu seiner Magnetisierung aus.

Die Forscher legten an die magnetisierte Wolframspitze sowohl eine konstante als auch eine schnell oszillierende Spannung an und maßen den dabei entstehenden Tunnelstrom. Indem sie die Stärke beider Spannungen sowie die Frequenz der oszillierenden Spannung variierten, konnten sie charakteristische Resonanzen im Tunnelstrom beobachten. Aus der genauen Form dieser Resonanzen konnten sie Rückschlüsse auf die Prozesse ziehen, die zwischen den Tunnelelektronen und denen des Moleküls abliefen.

Direkte Spinkontrolle durch polarisierte Ströme

Aus den Daten konnten Stepanow und seine Kollegen zwei Erkenntnisse gewinnen. Zum einen reagierten die Elektronenspins im Pentacen-Molekül auf das durch die Wechselspannung erzeugte elektromagnetische Feld genauso wie bei der gewöhnlichen Elektronenspinresonanz. Zum anderen deutete die Form der Resonanzen darauf hin, dass es einen zusätzlichen Prozess gab, der ebenfalls die Spins der Elektronen im Molekül beeinflusste.

«Dieser Prozess ist das sogenannte Spin-Transfer-Drehmoment, für das das Pentacen-Molekül ein ideales Modellsystem ist», sagt Doktorand Stepan Kovarik. Beim Spin-Transfer-Drehmoment handelt es sich um einen Effekt, bei dem sich der Spin des Moleküls unter dem Einfluss eines spinpolarisierten Stroms ohne direkte Einwirkung eines elektromagnetischen Felds ändert. Die ETH-Forscher zeigten, dass sich auf diese Weise auch quantenmechanische Überlagerungszustände des Molekülspins erzeugen lassen. Solche Überlagerungszustände werden etwa in der Quantentechnologie genutzt.

„Diese Spin-Kontrolle durch spinpolarisierte Ströme auf Quantenebene eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten“, sagt Kovarik. Im Gegensatz zu elektromagnetischen Feldern wirken spinpolarisierte Ströme sehr lokal und lassen sich mit einer Präzision von weniger als einem Nanometer steuern. Solche Ströme ließen sich nutzen, um elektronische Schaltelemente in Quantenbauelementen sehr gezielt anzusteuern und so etwa die Quantenzustände magnetischer Qubits zu kontrollieren.