Neues lichtinduziertes Material zeigt großes Potenzial für Quantenanwendungen

Eine Materialklasse namens Perowskite, die über eine spezielle elektronische Bindung mit vielen Anwendungen verfügt, könnte für die Quantensensorik nützlich sein.

Viele Wissenschaftler untersuchen verschiedene Materialien auf ihren möglichen Einsatz in der Quantentechnologie. Ein wichtiges Merkmal der Atome in diesen Materialien ist der sogenannte Spin. Wissenschaftler wollen die Spins von Atomen kontrollieren, um neue Arten von Materialien zu entwickeln, die als Spintronik bezeichnet werden. Sie könnten in fortschrittlichen Technologien wie Speichergeräten und Quantensensoren für ultrapräzise Messungen eingesetzt werden.

In einem jüngster DurchbruchForscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und der Northern Illinois University haben herausgefunden, dass sie Licht verwenden können, um den Spinzustand in einer Klasse von Materialien namens Perowskiten zu erkennen (in dieser Forschung speziell Methylammoniumbleiodid oder MAPbI3). Perowskite haben viele potenzielle Einsatzmöglichkeiten, von Solarmodulen bis hin zur Quantentechnologie.

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Um den Spin zu verstehen, betrachten Sie die Elektronen, die den Atomkern umkreisen. Wenn Atome nahe beieinander liegen, können sie einige ihrer äußeren Elektronen teilen, wodurch eine Bindung zwischen ihnen entsteht. Jede Bindung enthält zwei Elektronen, die „gepaart“ sind, das heißt, sie teilen sich ein Orbital – den Bereich, in dem sie sich bewegen.

Nun hat jedes dieser gepaarten Elektronen einen von zwei möglichen Spinzuständen: Spin-Up oder Spin-Down. Wenn ein Elektron einen Spin-up hat, ist das andere ein Spin-down. Da wir nicht genau wissen können, welches Elektron welchen Spin hat, ohne es zu betrachten, sagen wir, dass sie in einer Quantenüberlagerung existieren – einem Zustand, in dem sie sowohl Spin-Up als auch Spin-Down haben, bis sie beobachtet werden.

„Indem wir die Konzentration des Neodyms an die Konzentration der Exzitonen anpassen, können wir das Neodym letztendlich als eine Art Sonde für die Spins im Exziton verwenden“, sagt Saw Wai Hla, ein argonischer Physiker und Mitautor der Studie .

Dies ist das gleiche Konzept, das auch im Quantencomputing verwendet wird. Ein Quantenbit oder Qubit kann sowohl Null als auch Eins gleichzeitig darstellen, im Gegensatz zu einem klassischen Bit, das nur das eine oder das andere ist. Dies macht Quantencomputer in mancher Hinsicht viel leistungsfähiger als normale Computer.

Die Identifizierung und Kontrolle von Elektronenspins ist der Schlüssel zur Entwicklung von Quantengeräten wie Computern und Sensoren.

In ihrer Studie regten die Forscher mit Licht eines der beiden gepaarten Elektronen im Perowskit-Material an. Dadurch bewegte sich das Elektron auf ein höheres Energieniveau und hinterließ ein „Loch“ im niedrigeren Energieniveau. Dieses Paar aus einem angeregten Elektron und einem Loch wird Exziton genannt.

Exzitonen entstehen, wenn die Energie des Lichts in elektrische potentielle Energie umgewandelt wird. Normalerweise halten Exzitonen nicht lange an, da das angeregte Elektron schließlich in das Loch zurückfällt, ein Prozess namens Rekombination, der Licht freisetzt. In MAPbI3 dauern solche Exzitonen normalerweise nur wenige zehn Nanosekunden.

Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Tao Xu von der Northern Illinois University entdeckte eine Möglichkeit, die Lebensdauer des Exzitons um mehr als das Zehnfache zu verlängern. Dazu fügten sie dem Material ein Seltenerdmetall namens Neodym hinzu. Neodym hat ungepaarte Elektronen in seinem äußeren Orbital, was es zu einem guten Kandidaten für die Wechselwirkung mit den Elektronen des Exzitons macht.

Ein Elektron, das im Exziton auf ein höheres Orbital befördert wird, besetzt schließlich auch teilweise ein Orbital in einem Neodymatom. Dadurch entsteht ein spinverschränkter Zustand mit den lokalisierten Spins im Neodymatom.

Das verschränkte Elektron im Neodym ist immer noch mit seinem Partnerelektron im Perowskit verbunden. Auch wenn sie getrennt sind, können sie dennoch miteinander „kommunizieren“, was Wissenschaftlern nützliche Informationen über das Material liefert und für die Quantensensorik genutzt werden könnte.

„Der Hauptpunkt ist, dass wir mit den einzelnen Elektronen in einem Exziton durch ihre Wechselwirkungen mit den Neodymatomen kommunizieren können. Das ist aufregend, weil diese Elektronen normalerweise einfach zerfallen und Licht freisetzen“, sagte der Argonne-Nanowissenschaftler Benjamin Diroll, ein weiterer Co-Autor .

Laut Xu funktioniert Neodym als Quantensensor in einem relativ schwachen Magnetfeld. Ist das Magnetfeld jedoch zu stark, werden die Spins im Neodym blockiert und die Verbindung zum Exziton bricht zusammen.

„Das Spannende daran ist, dass wir durch die Anpassung der Neodymkonzentration die Spins von Exzitonen erkennen können. Dies könnte es uns möglicherweise ermöglichen, bis zu 10 Elektronenspins zu verschränken, was ein sehr interessantes Qubit-Material für Quantencomputing wäre“, sagte Xu.