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Dank Kühlung erhöhte Kohärenz

graphische Darstellung der Verlängerung der Kohärenzzeit

Durch die drastische Reduktion der Fluktuationen der Kernspins kann die Kohärenzzeit des Elektrons in dem Quantenpunkt erhöht werden. (Bild: Departement Physik, Universität Basel)

Ein Team von Forschenden aus dem SNI-Netzwerk hat die Kohärenz eines Elektronenspins in einem Quantenpunkt erstmals über eine halbe Mikrosekunde gebracht. Die Wissenschaftler:innen erreichten die über 150-fach verlängerte Kohärenzzeit durch die Nutzung der Elektronenspin-Kernspin-Wechselwirkung, die eine Abkühlung des Spinsystems auf 100 Mikrokelvin bewirkt.

Forschende um Prof. Dr. Richard Warburton (Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel, Schweiz) und Dr. Arne Ludwig (Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik der Universität Bochum, Deutschland) nutzen für ihre Forschung Quantenpunkte aus dem Halbleiter Galliumarsenid. Sie fangen einzelne Elektronen in dem Quantenpunkt ein und haben damit die Möglichkeit eine Schnittstelle zwischen den emittierten einzelnen Photonen und einem stationären Spinspeicher herzustellen.

Die Kohärenzzeit des Spins dieser Elektronen betrug aufgrund der Wechselwirkung mit hunderttausend Kernspins in dem Galliumarsenid-Quantenpunkt bisher nur wenige Nanosekunden. In einer Veröffentlichung in dem Wissenschaftsjournal „Physical Review Letters“ haben die Forschenden nun gezeigt, wie sie die Kohärenzzeit des Elektronenspin auf 0.6 Mikrosekunden verlängern konnten.

Sie erreichten diese über 150-fache Verbesserung der Kohärenzzeit, indem sie die Wechselwirkungen von Elektronenspins und Kernspins nutzten, um das Spinsystem von 4 Kelvin auf 100 Mikrokelvin abzukühlen und damit die Fluktuationen der Kernspins drastisch zu reduzieren.

„Mit dieser Technik, die bisher noch nicht auf diesem Quantenpunktsystem demonstriert wurde, konnten wir eine grosse Schwachstelle von Quantenpunkten lösen. Nun ist die Kohärenzzeit viel länger als die Zeit zum Kontrollieren des Spins als auch die Emissionszeit eines Photons.“, kommentiert Giang N. Nguyen, Erstautor der Studie aus dem Warburton-Team.

Originalarbeit:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.210805

Weitere Informationen:

Forschungsgruppe Prof. Dr. Richard Warburton