Elektroneneigenschaften einzeln ein- und ausschalten
Technische Universität Wien

Eigenschaften komplexer Materialien werden oft vom Zusammenspiel verschiedener Merkmale der Elektronen bestimmt. An der TU Wien gelang es nun, dieses Durcheinander zu entwirren.
Nur wenn es kalt ist, herrscht Ordnung. An der TU Wien werden Materialien fast bis auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt – so sehr, dass Elektronen, die sonst ganz zufällig verschiedene Zustände einnehmen können, bestimmte Regelmäßigkeiten zeigen. Meist ist aber sogar das Verhalten von extrem kalten Elektronen schwer zu verstehen, einerseits weil die Elektronen einander stark beeinflussen und nicht getrennt voneinander beschrieben werden können, und andererseits, weil verschiedene Elektronen-Merkmale gleichzeitig eine Rolle spielen. Erleichtert wird das Verständnis aber nun durch Experimente an der TU Wien: Es gelang nämlich, verschiedene Merkmale der Elektronen getrennt voneinander zu beeinflussen. Eng miteinander verwobene Quantenphänomene werden dadurch einzeln verständlich. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse nun im Fachjournal PNAS.

Schachfiguren und Elektronen

Wenn man einen großen Sack mit Schachfiguren hat, die man nach und nach auf ein Schachbrett stellt, bis es voll ist, dann gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, geordnete Muster herzustellen: Man kann zum Beispiel immer abwechselnd eine weiße und eine schwarze Figur hinstellen. Man kann auch die Farben ignorieren und immer abwechselnd einen Springer und einen Turm platzieren, oder sich kompliziertere Ordnungsmuster ausdenken, die Farbe und Figurentyp miteinander verbinden.

Bei Elektronen in einem Festkörper ist es ähnlich: Wie im Schachbrett gibt es regelmäßig angeordnete Plätze, auf denen Elektronen sitzen können. Und wie die Schachfiguren haben Elektronen unterschiedliche Eigenschaften, die man zum Herstellen von Ordnung verwenden kann.
„Die einfachste Eigenschaft der Elektronen ist ihre Ladung – sie ist dafür zuständig, dass elektrischer Strom fließen kann. Allerdings ist die Ladung bei allen Elektronen gleich“, sagt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Interessanter wird die Sache, wenn man auch den Elektronenspin berücksichtigt. Für den gibt es immer zwei verschiedene Möglichkeiten. Durch regelmäßige Anordnung von Elektronenspins in einem Festkörper werden seine magnetischen Eigenschaften festgelegt.“

Wo sitzt das Elektron? Der Orbital-Freiheitsgrad

Allerdings gibt es für festsitzende Elektronen noch eine weitere Eigenschaft, einen weiteren Freiheitsgrad, der eine wichtige Rolle spielt: Der Orbital-Freiheitsgrad. Wenn ein Elektron an ein bestimmtes Atom gebunden ist, sind verschiedene räumliche Anordnungen möglich. Die Quantenphysik erlaubt unterschiedliche geometrische Beziehungen zwischen Elektron und Atom – und auch das ermöglicht geordnete Strukturen, etwa wenn in einem Kristall viele gleiche Atome angeordnet sind, und jedes hat ein Elektron, das sich im selben Orbital-Zustand befindet.

„Wir untersuchten ein Material aus Palladium, Silizium und Cer“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Entscheidend sind für uns einerseits die Elektronen, die am Cer-Atom sitzen, und andererseits die Leitungselektronen, die sich frei durch den Kristall bewegen können.“ Es ist nämlich möglich, mit Hilfe der Leitungselektronen die Ordnung der Elektronen am Cer-Atom zu beeinflussen – und zwar sowohl ihren Spin-Freiheitsgrad als auch ihren Orbital-Freiheitsgrad. „Das geschieht durch Abschirmung“, erklärt Bühler-Paschen. „Die Leitungselektronen können sowohl den Spin- als auch den Orbital-Zustand der festsitzenden Elektronen quasi verstecken, was als Kondo-Effekt bezeichnet wird. Damit ist dann auch keine Ordnung mehr möglich.“ Wie sich nun zeigte, kann man die Ordnung dieser beiden Freiheitsgrade bei sehr tiefen Temperaturen getrennt ein- und ausschalten – mit Hilfe winziger Magnetfeld-Änderungen.

„Dass quantenphysikalische Ordnung in gewissen Situationen zusammenbricht oder neu entsteht, ist nichts Neues“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Aber hier haben wir ein System, bei dem die Ordnung in Bezug auf zwei verschiedene Freiheitsgrade, die bei hohen Temperaturen eng verwoben sind, einzeln ein- und ausgeschaltet werden kann – und das ist ganz bemerkenswert.“

Diese Möglichkeit könnte nun helfen, besonders interessanten Eigenschaften komplexer Materialien auf die Schliche zu kommen. „Es gibt einigen Grund anzunehmen, dass der Orbital-Freiheitsgrad auch beim Phänomen der unkonventionellen Supraleitung eine wichtige Rolle spielt“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Wir haben nun ein neues Instrument zur Verfügung, um solche technologisch wichtigen Effekte endlich besser verstehen zu können.“

► Link zur Originalpublikation V. Martelli et al., Sequential localization of a complex electron fluid, PNAS (2019)  hier.

► Link zur Originalmeldung hier.

Quanteninternet nimmt Gestalt an
Universität Innsbruck

Ein Team um den Innsbrucker START-Preisträger Ben Lanyon hat erstmals ein mit Materie verschränktes Lichtteilchen über ein 50 Kilometer langes Glasfaserkabel übertragen. Dies ebnet den Weg für die praktische Nutzung von Quantennetzwerken und bedeutet einen Meilenstein auf dem Weg zu einem zukünftigen Quanteninternet.

Das Quanteninternet verspricht absolut abhörsichere Kommunikation und leistungsstarke verteilte Sensornetzwerke für Forschung und Technologie. Weil Quanteninformation nicht kopiert werden kann, ist ein Informationsübertrag über ein klassisches Netzwerk aber nicht möglich. Die Quanteninformation muss mittels Quantenteilchen übertragen werden, und dafür braucht es spezielle Schnittstellen. An diesen wichtigen Knotenpunkten eines zukünftigen Quanteninternets forscht der Innsbrucker Experimentalphysiker Ben Lanyon, der für seine Forschungen 2015 mit dem österreichischen START-Preis ausgezeichnet wurde. Nun ist seinem Team am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ein Rekord für die Übertragung von Quantenverschränkung zwischen Materie und Licht gelungen. Erstmals konnte über Glasfaserkabel eine Distanz von 50 Kilometern überwunden werden. „Das ist um zwei Größenordnungen weiter als es bisher möglich war und eine praktikable Distanz für den Bau von regionalen Quantennetzwerken“, freut sich Ben Lanyon.

Licht für Übertragung umgewandelt

Lanyons Team nutzte ein in einer Ionenfalle gefangenes Kalziumatom als Ausgangspunkt für das Experiment. Mit Laserstrahlen schreiben die Forscher einen Quantenzustand in das Ion ein und regen es gleichzeitig zur Aussendung eines Photons an, in dessen Polarisation Quanteninformation gespeichert ist. Die Quantenzustände des Atoms und des Lichtteilchens werden dabei verschränkt. Die Herausforderung besteht nun darin, das Photon durch Glasfaserkabel zu übertragen. „Denn das vom Kalziumion emittierte Photon besitzt eine Wellenlänge von 854 Nanometern und wird vom Glasfaserkabel sehr rasch absorbiert“, erklärt Ben Lanyon. Sein Team schickt deshalb das Lichtteilchen zunächst durch einen nichtlinearen Kristall, der mit einem starken Laser angestrahlt wird. Dabei wird die Wellenlänge des Photons auf den optimalen Wert für lange Strecken umgewandelt: die aktuelle Standardwellenlänge des Telekommunikationsnetzes von 1550 Nanometern. So schicken die Innsbrucker Forscher das Photon durch eine 50 Kilometer lange Glasfaserleitung. Messungen zeigen, dass Atom und Lichtteilchen auch nach der Wellenlängenänderung und der langen Reise noch verschränkt sind.

Noch größere Distanzen im Blick

Als nächsten Schritt zeigen Ben Lanyon und sein Team, dass ihre Methode dazu geeignet ist, Ionen über eine Distanz von 100 und mehr Kilometern zu verschränken. Zwei Knoten senden ein verschränktes Photon über eine Distanz von 50 Kilometern zu einer Zwischenstation, wo die Lichtteilchen so vermessen werden, dass sie ihre Verschränkung mit den Ionen verlieren, wodurch diese wiederum miteinander verschränkt würden. Da nun ein 100 Kilometer langer Abstand zwischen den Schnittstellen möglich ist, wäre es vorstellbar in den kommenden Jahren das weltweit erste Intercity-Licht-Materie-Quantennetzwerk zu bauen: Nur eine Handvoll Ionenfallensysteme würden benötigt, um beispielsweise ein Quanteninternet zwischen Innsbruck und Wien aufzubauen.

Lanyons Team ist Teil der Quantum Internet Alliance, einem internationalen Projekt im Rahmen des Quantum Flagship der Europäischen Union. Die aktuellen Ergebnisse wurde im Nature Fachmagazin Quantum Information veröffentlicht. Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem durch den österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und die Europäische Union.

► Link zur Originalpublikation Light-matter entanglement over 50 km of optical fibre. V. Krutyanskiy , M. Meraner, J. Schupp, V. Krcmarsky, H. Hainzer and B. P. Lanyon. npj Quantum Information 2019 DOI hier (Open Access).

► Link zur Originalmeldung hier

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