Künstliches Atom: Elektronengefängnis aus Graphen entwickelt

22. August 2016, 14:21
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Elektronen zeigen ihre Quanteneigenschaften, wenn man sie in engen Bereichen gefangen hält. Forscher ermöglichten dies nun in Graphen

Wien – Sperrt man Elektronen in eine enge Zelle, verhalten sie sich völlig anders als im freien Raum. Ähnlich wie in einem Atom können sie dann nur noch ganz bestimmte Energien annehmen – daher werden solche winzigen Elektronengefängnisse auch als "künstliche Atome" bezeichnet. Gleichzeitig zeigen sie zudem zusätzliche Eigenschaften, die für die Quatenphysik interessant sind. Ein internationales Forscherteam, darunter Physiker der TU Wien, konnte nun ein solches künstliches Atom im Kohlenstoff-Material Graphen herstellen. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal "Nano Letters" veröffentlicht.

Für Physiker bieten künstlichen Atome neue Möglichkeiten, weil man ihre Eigenschaften gezielt verändern kann, erklärte Joachim Burgdörfer vom Institut für theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien. So könne man in künstlichen Atomen etwa die Abstände von Energieniveaus gezielt einstellen, zum Beispiel passend zur Absorption von Lichtteilchen, ergänzt Mitautor Florian Libisch.

Erschwerdende, hochinteressante Eigenschaften

Elektronengefängnisse konnten vor allem in Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid bereits realisiert werden – die Wissenschafter sprechen in diesem Fall von "Quantenpunkten". Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Graphen – einer einzigen Schicht wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome – würden künstliche Atome in dem Material noch interessantere Möglichkeiten bieten. "Elektronen in Graphen können ihren Spin-Zustand besonders lange behalten, man kann sie daher gut verwenden, um Information zu speichern und quantenphysikalisch zu verarbeiten", so Burgdörfer.

Allerdings war die Herstellung künstlicher Atome in Graphen bisher schwierig: Die ungewöhnlichen Materialeigenschaften, die Graphen für viele Anwendungen so attraktiv machen, erschweren das Einsperren der Elektronen.

Die theoretischen Physiker um Burgdörfer haben nun mithilfe theoretischer Modelle und Computersimulationen analysiert, wie sich die Elektronen in den Graphen-Zellen verhalten und wie man sie eingesperrt halten kann. Als optimal erwies sich dabei eine Kombination von elektrischen und magnetischen Feldern.

Neue Experimente

Experimentell umgesetzt wurden die neuen Ideen an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen. Beteiligt war auch ein Team um Andre Geim und Kostya Novoselov von der University of Manchester, die 2010 für ihre Arbeiten mit Graphen mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurden.

Für die Physiker eröffnen die künstlichen Atome im Graphen eine Spielwiese für neue quantentechnologische Experimente: So kann man die Elektronen zwischen unterschiedlichen Zuständen hin- und herschalten und Information speichern. Die Elektronen können dabei über mehrere Sekunden – eine für quantenphysikalische Verhältnisse extrem lange Zeit – ihren Zustand beibehalten. Zudem könnte mit dieser Methode auf einem kleinen Chip ohne viel Aufwand eine große Zahl künstlicher Atome hergestellt und für Quanteninformations-Anwendungen genutzt werden. (APA, red, 22. 8. 2016)

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