Kontrollierter Spin

Forscher sehen in Nanoröhrchen geeignete Bausteine für leistungsfähige Quantencomputer.

Ithaca (USA) - Sie sind winzig und vielseitig: Nanoröhrchen aus Kohlenstoff leiten Strom besser als Drähte aus Metall und können zu hochfestem Gewebe versponnen werden. Auch Entwickler zukünftiger Nanoschaltkreise sehen in den zylindrischen Hohlräumen einen geeigneten Kandidaten für die Zeit nach dem Siliziumchip. Neue Messungen, die Physiker aus den USA nun in der Zeitschrift "Nature" präsentieren, lassen sogar auf einen Einsatz in extrem leistungsfähigen Quantencomputern hoffen.

"Unsere Ergebnisse ziehen wichtige Implikationen für Spin-basierte Anwendungen in Kohlenstoff-Systemen nach sich", schreiben Paul McEuen und seine Kollegen von der Cornell University in Ithaca. In ihrem Experiment fingen die Forscher in einem nur einen halben Millionstel Meter langen Röhrchen ein einzelnes Elektron ein. Dieser Ladungsträger rotiert einerseits um sich selbst und bewegt sich zusätzlich zu diesem Spin in einer kreisförmigen Orbitalbewegung. Eigentlich hatten die Physiker erwartet, dass diese Eigenschaften keine Auswirkungen auf die Energie des Elektrons hätten. Doch das Gegenteil ist der Fall.

Spin und Orbitalbewegung koppeln miteinander und so wird je nach Ausrichtung des Spins das Energieniveau des Elektrons beeinflusst. Für ihre Messungen spannten McEuen und Kollegen ein einwandiges Nanoröhrchen zwischen zwei Metallelektroden. Unterhalb dieses Aufbaus kontaktierten sie zwei Gate-Elektroden. Durch eine geschickte Wahl der hier anlegten Spannungen gelang es, ein einzelnes Elektron in dem Nanoröhrchen einzufangen. Das exakte Energieniveau des Elektrons lässt sich nun über eine regelbare Spannung zwischen den beiden Metallelektroden bestimmen. Je nach deren Stärke kann das Elektron aus seiner Falle heraustunneln. Dieses System eines Einzelelektrons in einer Falle bezeichnen die Forscher als Quantenpunkt bezeichnet.

Als "Draht" für einen zukünftigen Schaltkreis, der mit Elektronenspin statt mit der elektrischen Ladung rechnet, ist das Nanoröhrchen wegen dieser Kopplung nun kaum noch geeignet. Denn wenn sich der Spin ohne äußeres Zutun ändert, kann keine Berechnung ohne Fehler erfolgen. Doch die Kopplung mit der nachfolgenden Aufspaltung der Energieniveaus hat auch ihr Gutes. Denn der Spinzustand eines Elektrons lässt sich nun auch gezielt manipulieren. Diese Eigenschaft macht das Nanoröhrchen interessant für robuste Quantenpunkte, die quantenphysikalisch miteinander verknüpft werden könnten. Spin und Orbitalbewegung liefern die Grundlage für diese so genannte Verschränkung, die für den Aufbau von Quantenbits, den kleinsten Recheneinheiten zukünftiger Quantencomputer, notwendig ist. "In der Tat könnte dieser Effekt für die elektrische Manipulation von Elektronenspins genutzt werden", beurteilt Arne Brataas von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim diese Ergebnisse in einem begleitenden Kommentar Diese Eigenschaft würde die Tür zu vielen weiteren Spintronik-Anwendungen öffnen.