Weltweit forschen Wissenschaftlerteams an Möglichkeiten, die Eigendrehung von Atomen sinnvoll zu nutzen. Eine Möglichkeit: Die Nutzung als Quantenbit, das das klassische Bit mit seinen Speichermöglichkeiten 0 und 1 ersetzt und nicht nur die Werte 0 oder 1 annehmen kann, sondern einfach gesprochen auch alle Werte dazwischen. Wie das wohl weltweit renommierteste Wissenschaftsmagazin "Science" in seiner heutigen Ausgabe berichtet, ist es Dortmunder Physikerinnen und Physikern um Prof. Manfred Bayer gemeinsam mit Kollegen aus Bochum, St. Petersburg und Washington gelungen, einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu diesem Ziel zu realisieren.
Das Team hatte schon Mitte dieses Jahres - ebenfalls begleitet durch eine Publikationen in "Science" – der Fachöffentlichkeit eine Methode vorgestellt, wie durch eine maßgeschneiderte periodische Beleuchtung mit einem gepulsten Laser ein großer Teil der verschiedenen Elektronenspins in einem Kristall quasi "synchronisiert" werden kann. Die Synchronizität dieser Elektronen wird jedoch durch die Spins der Atomkerne in dem Kristall gestört, die quasi einen "ungeordneten Hintergrund" bilden, mit dem die Elektronen wechselwirken.
Jetzt stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Ihrem Beitrag dar, wie dieses Hindernis bei der Benutzung von Spins überwunden werden kann. Elektronen und Kerne können konstruktiv zusammenwirken, sofern man sie durch periodischen Laserbeschuss dazu zwingt. Als Konsequenz davon tragen die Kerne dazu bei, dass nicht nur einige der als Quanten-Bits in Frage kommenden Elektronenspins gleichförmig um das Magnetfeld rotieren, sondern alle. Der Anteil nicht-synchronisierter Elektronen verschwindet. Mehr noch, sobald dies geschehen ist, verhalten sich die Kerne den Elektronen gegenüber freundlich, sie wollen diesen Zustand nicht mehr zerstören. Aus den beiden ungeordneten Systemen der Elektronen und Kerne ist also ein geordnetes System entstanden.
Zur Veranschaulichung des Prinzips greift Prof. Manfred Bayer auf das Bild eines Opernballs zurück: "Die Tänzer symbolisieren die Elektronspins, die Tänzerinnen dagegen die Kernspins. Der anregende Laser ist das Orchester, das die Tanzpaare in Rotation versetzt, sobald es zu spielen beginnt. In der letztjährigen Veröffentlichung war gezeigt worden, dass es dem Orchester gelingt, eine Anzahl von talentierten Paaren im Takt tanzen zu lassen, die Mehrheit ist jedoch nicht in der Lage sich dem Takt anzupassen. Schuld daran sind die Elektronspins, also die Tänzer aufgrund ihres mangelnden Talents.
Die neuesten Arbeiten zeigen, dass die Kernspins, also die Tänzerinnen sich mit diesem Mangel an Talent nicht abfinden, sondern versuchen, den Tänzer den Takt beizubringen. Physikalisch geschieht dies durch einen so genannten Spinflipflop-Prozess zwischen Elektron und Kern. In der Analogie kann das so veranschaulicht werden, dass jede Tänzerin zu einem Zeitpunkt, an dem sie die Geduld verliert, dem "taktlosen" Tänzer eine Ohrfeige gibt, manchmal sind auch zwei oder drei davon nötig. Die so getroffenen Tänzer zeigen sich jedoch lernfähig und drehen sich dann im Takt, und noch wichtiger, verlassen ihn auch nicht wieder. Diese Entwicklung unter Begleitung des Orchesters dauert so lange, bis in der Tat alle Tänzer sich auf den Takt eingestellt haben und alle Paare synchron tanzen."
Das Team hatte schon Mitte dieses Jahres - ebenfalls begleitet durch eine Publikationen in "Science" – der Fachöffentlichkeit eine Methode vorgestellt, wie durch eine maßgeschneiderte periodische Beleuchtung mit einem gepulsten Laser ein großer Teil der verschiedenen Elektronenspins in einem Kristall quasi "synchronisiert" werden kann. Die Synchronizität dieser Elektronen wird jedoch durch die Spins der Atomkerne in dem Kristall gestört, die quasi einen "ungeordneten Hintergrund" bilden, mit dem die Elektronen wechselwirken.
Jetzt stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Ihrem Beitrag dar, wie dieses Hindernis bei der Benutzung von Spins überwunden werden kann. Elektronen und Kerne können konstruktiv zusammenwirken, sofern man sie durch periodischen Laserbeschuss dazu zwingt. Als Konsequenz davon tragen die Kerne dazu bei, dass nicht nur einige der als Quanten-Bits in Frage kommenden Elektronenspins gleichförmig um das Magnetfeld rotieren, sondern alle. Der Anteil nicht-synchronisierter Elektronen verschwindet. Mehr noch, sobald dies geschehen ist, verhalten sich die Kerne den Elektronen gegenüber freundlich, sie wollen diesen Zustand nicht mehr zerstören. Aus den beiden ungeordneten Systemen der Elektronen und Kerne ist also ein geordnetes System entstanden.
Zur Veranschaulichung des Prinzips greift Prof. Manfred Bayer auf das Bild eines Opernballs zurück: "Die Tänzer symbolisieren die Elektronspins, die Tänzerinnen dagegen die Kernspins. Der anregende Laser ist das Orchester, das die Tanzpaare in Rotation versetzt, sobald es zu spielen beginnt. In der letztjährigen Veröffentlichung war gezeigt worden, dass es dem Orchester gelingt, eine Anzahl von talentierten Paaren im Takt tanzen zu lassen, die Mehrheit ist jedoch nicht in der Lage sich dem Takt anzupassen. Schuld daran sind die Elektronspins, also die Tänzer aufgrund ihres mangelnden Talents.
Die neuesten Arbeiten zeigen, dass die Kernspins, also die Tänzerinnen sich mit diesem Mangel an Talent nicht abfinden, sondern versuchen, den Tänzer den Takt beizubringen. Physikalisch geschieht dies durch einen so genannten Spinflipflop-Prozess zwischen Elektron und Kern. In der Analogie kann das so veranschaulicht werden, dass jede Tänzerin zu einem Zeitpunkt, an dem sie die Geduld verliert, dem "taktlosen" Tänzer eine Ohrfeige gibt, manchmal sind auch zwei oder drei davon nötig. Die so getroffenen Tänzer zeigen sich jedoch lernfähig und drehen sich dann im Takt, und noch wichtiger, verlassen ihn auch nicht wieder. Diese Entwicklung unter Begleitung des Orchesters dauert so lange, bis in der Tat alle Tänzer sich auf den Takt eingestellt haben und alle Paare synchron tanzen."
