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News: Verknüpft spinnende Quantenpunkte

Die Spintronik könnte möglicherweise die Elektronik ablösen. Dabei wird nicht die Ladung eines Elektrons, sondern sein Spin zum Rechnen verwendet. Einzelne spintronische Bauteile wurden bereits hergestellt. Jetzt ist es Wissenschaftler gelungen, diese miteinander zu verbinden.
Gekoppelte Quantenpunkte
Der Trend in der Elektronik geht in Richtung Miniaturisierung. Doch mit abnehmender Größe der elektronischen Bauteile kommen die Entwickler einer unsichtbaren Grenze immer näher: dem Übergang zur Quantenwelt. Denn irgendwann gehorchen die Bauteile nicht mehr den Gesetzen der klassischen Physik, sondern den oftmals bizarr anmutenden Regeln der Quantenmechanik. Im Zuge dessen könnte auch eine neue Art der Elektronik zum Zuge kommen: die Spinelektronik oder kurz Spintronik.

Denn ein Elektron transportiert nicht nur eine Ladung, sondern besitzt auch einen Spin – anschaulich eine Art Eigenrotation. Diese kann den Gesetzen der Quantenwelt folgend zwei Zustände einnehmen Spin-up und Spin-down oder eine Überlagerung dieser beiden Zustände. Damit aber ist der Spin wie geeignet dazu, die digitalen Werte "1" und "0" in einem quantenmechanischem Bit – einem Qubit – darzustellen.

Einzelne Qubits machen aber noch lange keinen Quantencomputer. Schließlich müssen die Informationen auch irgendwie ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Und genau hier setzt die Arbeit von Min Ouyang und David Awschalom von der University of California in Santa Barbara an. Sie versuchten so genannte Quantenpunkt miteinander zu verbinden.

Quantenpunkte sind dabei nur wenige Nanometer große Inseln eines Halbleiters, die in der Lage sind, einzelne Elektronen und damit ihre quantenmechanischen Eigenschaften zu speichern. Doch Ouyang und Awschalom wollten nicht nur speichern, sondern auch übertragen. Sie beschichteten daher eine Oberfläche mit Lagen von 3,4 und 7 Nanometer großen Quantenpunkten aus Cadmiumselenid (CdSe), die zusätzlich jeweils mit molekularen Brücken verbunden waren, die Benzolringe enthielten.

Zur "Beobachtung" der zwischen den Quantenpunkten wandernden Elektronen dienten den Forschern ultrakurze Laserpulse im Femtosekundenbereich (10-15 Sekunden). So konnten Sie auch den Spin der Elektronen im Auge behalten.

Tatsächlich ließ sich bei Temperaturen um den absoluten Nullpunkt auf Anhieb bei zwölf Prozent der Elektronen der Spin und damit die Quanteninformation zwischen den Quantenpunkten übertragen – und das ungestört und ohne zeitliche Verzögerung. Bei Zimmertemperatur funktionierte die Spinleitung interessanterweise sogar in 20 Prozent der Fälle.

Quantenmechanische Übertragungsmechanismen wie das "Tunneln" können dabei zum Spintransport kaum beigetragen haben. Die Forscher vermuten vielmehr, dass den Benzolringen in den molekularen Brücken die erfolgreiche Spinleitung zu verdanken ist. Demnach können die Atome in den Ringen Elektronen nur relativ schwach binden, sodass sie frei über diese Brücke zwischen benachbarten Molekülen wechseln können. Vermutlich wandern so auch die Elektronen über die Benzolringe zu benachbarten Quantenpunkten. Die Molekülbrücken bieten sich demnach als Datenleitungen in Quantencomputern an.

Doch bis dahin müssen noch weitere Experimente durchgeführt werden, um die Eigenschaften dieser molekularen Leitung richtig zu verstehen und vor allem besser in den Griff zu bekommen. Zudem lassen sich die Molekülbrücken in Zukunft vielleicht sogar für mehr als die bloße Weiterleitung von Qubits nutzen. So können die Brücken zum Beispiel durch elektrische Felder verändert oder durch Lichtimpulse zum Schwingen angeregt werden. Damit würden sich auch die Leitungseigenschaften und das übertragene Qubit verändern. Die Daten ließen sich also direkt weiterverarbeiten – und das alles bei Zimmertemperatur. Rückt damit der Quantencomputer endlich in greifbare Nähe?

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