Einzelnes nanoskaliges Hybridsystem zur Untersuchung des Vakuumfluktuationsfeldes

Wenn Sie an leeren Raum denken, stellen Sie sich mit ziemlicher Sicherheit ein Vakuum vor, in dem nie etwas Interessantes passieren kann. Wenn wir jedoch in winzige Längenskalen hineinzoomen, in denen Quanteneffekte an Bedeutung gewinnen, stellt sich heraus, dass das, was Sie für leer hielten, tatsächlich zu jeder Zeit mit einer brodelnden Masse elektromagnetischer Aktivität gefüllt ist, wenn virtuelle Photonen in die Existenz hinein- und wieder verschwinden .

Dieses unerwartete Phänomen ist als Vakuumfluktuationsfeld bekannt. Da diese Schwankungen der Lichtenergie jedoch so klein und zeitlich flüchtig sind, ist es schwierig, Möglichkeiten zu finden, wie Materie mit ihnen interagieren kann, insbesondere innerhalb eines einzigen integrierten Geräts.

In einer Studie mit dem Titel „Elektrische Detektion ultrastarker kohärenter Wechselwirkung zwischen Terahertz-Feldern und Elektronen mithilfe von Quantenpunktkontakten“ veröffentlicht diesen Monat in Nano-BuchstabenForschern des Institute of Industrial Science der Universität Tokio ist es gelungen, genau hierfür ein einziges nanoskaliges Hybridsystem herzustellen. In ihrem Design verbindet ein Quantenpunktkontakt einen einzelnen Split-Ring-Resonator auf dem Chip mit einem zweidimensionalen Elektronensystem.

Der Split-Ring-Resonator, bei dem es sich um eine quadratische Metallschleife in Nanogröße mit einem winzigen Spalt handelt, reagiert am stärksten, wenn er mit spezifischen Resonanzfrequenzen elektromagnetischer Terahertz-Strahlung angeregt wird. Konventionelle optische Messungen erforderten früher Arrays mit vielen Resonatoren, doch das Team ist nun in der Lage, ultrastarke Kopplung mithilfe eines einzelnen Terahertz-Split-Ring-Resonators zu erkennen, der mit 2D-Elektronen verbunden ist.

Um die Quanteninformationsverarbeitung in Zukunft einfacher zu gestalten, ist es wichtig, den Quantenzustand mithilfe einer einfachen Einzelresonatorstruktur bestimmen zu können. Dieses Ziel lässt sich auch durch elektrische anstelle optischer Sensoren erreichen, die mithilfe des elektrischen Quantenpunktkontakts durchgeführt werden.

„Materie, die mit Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Feldes interagieren kann, soll sich im ultrastarken Kopplungsbereich befinden“, sagt Erstautor der Studie Kazuyuki Kuroyama. Das Experiment zeigte, dass das Stromsignal im Quantenpunktkontakt genutzt werden konnte, um die ultrastarke Kopplung des einzelnen Split-Ring-Resonators mit dem 2D-Elektronengas zu erkennen.

Darüber hinaus konnte im Quantenpunktkontakt elektrischer Strom gemessen werden, auch ohne Einwirkung von äußerer Strahlung. Modulationen im Strom ließen die Forscher schlussfolgern, dass Wechselwirkungen zwischen dem 2D-Elektronengas und den Vakuumfeldschwankungen des Resonators auch ohne Terahertz-Strahlung immer noch stattfinden.

„Unsere Ergebnisse könnten hochempfindliche Quantensensoren ermöglichen, die auf der Kopplung zwischen Vakuumfluktuationen und einem integrierten Hybrid-Quantengerät basieren“, sagt Kazuhiko Hirakawa, leitender Autor.

Die Ergebnisse dieser Studie könnten nicht nur mehr über die Grundgesetze der Natur in sehr kleinen Maßstäben erfahren, sondern auch dazu beitragen, künftige Quantencomputer zu entwickeln, die die üblichen Phänomene zur Verarbeitung oder Übertragung von Daten nutzen können.