Schall erzeugt „Quantensprünge“ zwischen Elektronenbahnen

Forscher der Cornell University haben gezeigt, dass sich mithilfe akustischer Schallwellen die Bewegung eines Elektrons steuern lässt, während es einen Gitterdefekt in einem Diamanten umkreist. Diese Technik könnte möglicherweise die Empfindlichkeit von Quantensensoren verbessern und in anderen Quantengeräten eingesetzt werden.

Fortschritte in der Quanteninformationstechnologie erfordern neue Wege zur Steuerung von Elektronen und anderen mikroskopischen Partikeln. In einem Artikel mit dem Titel „Kohärente akustische Steuerung von Defektorbitalzuständen im Grenzfall starker Antriebskräfte“ haben Gregory Fuchs, Professor für angewandte und technische Physik, und sein Postdoktorand Brendan McCullian mit Erich Mueller, Professor für Physik am College of Arts and Sciences, und dessen Doktorand Vaibhav Sharma zusammengearbeitet, um eine Umgebung zu entwickeln, in der Schallwellen „Quantensprünge“ zwischen Elektronenbahnen bewirken können.

Die Arbeit war veröffentlicht im Journal PRX Quantum.

McCullian baute auf der Oberfläche eines Diamantchips einen mikroskopischen Lautsprecher, der mit einer Frequenz arbeitete, die genau einem elektronischen Übergang entsprach. Mit Techniken, die denen bei der Magnetresonanztomographie ähneln, konnte er die kohärente Kontrolle eines einzelnen Elektrons im Inneren des Diamantchips demonstrieren.

Qubits – das Quantenanalogon der Bits in einem klassischen Computer – müssen kohärent oder in einem stabilen Zustand bleiben, um etwas Sinnvolles zu tun. Diese Kohärenz ist sehr fragil und geht leicht durch Schwankungen der Umgebung verloren, etwa wenn ein Elektron in der Nähe von einem Ort zum anderen springt. Seit vielen Jahren verlängern Wissenschaftler die Kohärenzzeiten von Qubits mithilfe einer Technik namens Spinresonanz, bei der Mikrowellen und Magnetfelder verwendet werden, um das Verhalten von Elektronen zu verändern. Fuchs und seine Gruppe versuchten, diese Technik auf den akustischen Bereich auszudehnen und die Kohärenz der Orbitale zu verbessern.

„Wir haben die Orbitalzustände akustisch auf eine Weise erzeugt, die der Spinresonanz ähnlich ist, und dann die etablierten Werkzeuge der Spinresonanztechniken verwendet, um die Kohärenz dieses Orbitalzustands zu untersuchen“, sagte Fuchs. „Für uns war es sehr interessant, dass wir eine Orbitalversion der Spinresonanz erstellen konnten: Wir nahmen die Werkzeuge, die wir aus der Spinresonanz kennen – zum Beispiel kohärente Kontrolle und Rabi-Schwingungen – und bildeten diese mit einem akustischen Resonator mit ein paar Gigahertz auf die Orbitalzustände ab. So konnten wir sehen, dass diese Techniken immer noch gültig sind.“

Die Arbeit von Fuchs trägt dazu bei, das Wissen über Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren) zu erweitern. Dabei handelt es sich um einen Defekt im Gitter von Diamantkristallen, der ein wichtiges Qubit für die Sensorik und Quantennetzwerke darstellt. Darüber hinaus trägt sie zur Entwicklung neuer Werkzeuge bei, um Umweltschwankungen entgegenzuwirken, die zu spektraler Diffusion führen. Diese wiederum kann bei Quantennetzwerkanwendungen, die auf einem stetigen optischen Übergang beruhen, bei dem die Frequenz jedes emittierten Photons gleich ist, große Probleme verursachen.

„Indem wir untersucht haben, wie das NV-Zentrum mit diesen Rauschquellen interagiert, und Wege gefunden haben, diese Interaktion mit Werkzeugen zu modifizieren, die wir normalerweise für Spins reservieren, haben wir einen Weg gefunden, wie wir es mit den Orbitalzuständen zum Laufen bringen können. Das ist eine wichtige Ergänzung für die Wissenschaft“, sagte Fuchs. „Dieses Projekt war auch ein Beispiel dafür, wie die Zusammenarbeit zwischen Teams funktionieren sollte. Die experimentellen Techniken wurden in meinem Labor entwickelt, aber dann haben wir mit einer Gruppe im Fachbereich Physik zusammengearbeitet, die eine theoretische Analyse lieferte und uns half, unsere Vorhersagen und unser Verständnis der Ergebnisse zu formulieren.“

„Die Zusammenarbeit war äußerst lohnend“, sagte Mueller. „Die akustischen Wellen erregten die Elektronen durch einen Mechanismus, der dem Pumpen einer Schaukel auf dem Spielplatz ähnelt. Wenn die Schwingungen mit der Elektronenbewegung synchron sind, können sie Energie auf sie übertragen. Es ist wirklich erstaunlich, dass man die Elektronenbewegung mit etwas steuern kann, das im Wesentlichen einem Lautsprecher gleicht.“