ForscherInnen kontrollieren erstmals Spin-Fluktuationen in Echtzeit: Weiterer Schritt hin zum Quantencomputer

PhysikerInnen der Universität Basel haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich der Spin von Atomkernen auch in extrem kleinen Materialproben ausrichten lässt. Damit lässt sich die Empfindlichkeit von Magnetresonanztomographie im Nanometerbereich steigern, was 3D-Aufnahmen von kleinsten Objekten erlaubt, die bisher nicht möglich waren. Dies berichten die Forscher zusammen mit niederländischen Kollegen in der Fachzeitschrift «Nature Physics».

Viele der Elemente wie Wasserstoff oder Phosphor, aus denen die Materie um uns herum besteht, enthalten einen magnetischen Kern in der Mitte eines jeden Atoms. Dieser Kern verhält sich wie ein winziger Magnet mit einem Nord- und einem Südpol. Durch Anlegen eines grossen Magnetfelds richten sich die Pole dieser Kerne entlang des Magnetfeldes aus, wodurch eine geordnete Ausrichtung, eine sogenannte Kernspinpolarisation, entsteht.

Wenn die Kerne mit Radiowellen in einer bestimmten Frequenz bestrahlt werden, ändern sie ihre Richtung vom Magnetfeld weg. Weil sie magnetisch sind, beginnen sie sich aber wieder zurückzudrehen und geben die Energie frei, die sie zuvor durch die Radiowellen aufgenommen hatten. Mit einer speziellen Antenne können diese Signale erfasst werden.

Dieses Verfahren wird als magnetische Kernresonanz bezeichnet und liefert wertvolle Informationen zur Struktur oder zur chemischen Zusammensetzung eines Prüfobjekts. Das Verfahren bildet auch die Grundlage für die Magnetresonanztomographie (MRI), welche 3D-Bilder der Dichte eines Objekts erstellen kann und in der medizinischen Diagnostik oft eingesetzt wird.

Natürliche Schwankungen bei sehr kleinen Objekten

Bei sehr kleinen Objekten, die kleiner als eine einzelne Zelle sind und daher nur eine geringe Anzahl von Kernen aufweisen, sind jedoch die natürlichen Schwankungen der Kernspinpolarisation grösser als die Polarisation, die durch das magnetische Feld erzeugt wird. Diese Abweichungen, sogenanntes «Spin Noise», ist in extrem kleinen Massstäben so dominant, dass es sehr schwierig ist, die Kernspinresonanz zu messen und mit MRI zu untersuchen.

Zusammen mit Wissenschaftlern der Technischen Universitäten in Eindhoven und Delft hat nun ein Team um Prof. Martino Poggio von der Universität Basel eine Methode entwickelt, mit der sich eine Polarisierung dieser zufälligen Schwankungen erzeugen lässt. Durch die Überwachung, Steuerung und Erfassung statistischer Spinfluktuationen konnten die Forscher Polarisationen erzeugen, die viel grösser sind als die, welche durch das Anlegen eines Magnetfeldes hervorgerufen werden. Die Forscher sind die ersten, die solche Schwankungen in Echtzeit manipulieren, kontrollieren und erfassen können.

Die Ergebnisse sind von unmittelbarer Bedeutung für jüngste technische Entwicklungen, durch welche die Volumen, die sich mittels Kernspinresonanz -Messungen untersuchen lassen, stark reduziert werden konnten. «Ein besseres Verständnis dieser Phänomene kann zu neuen, hochauflösenden bildgebenden Verfahren im Nano- und atomaren Bereich führen», erklärt Poggio, Argovia-Professor für Nanotechnologie am Swiss Nanoscience Institute. Das in Basel entwickelte Verfahren könnte einen möglichen Weg zur Verbesserung der Empfindlichkeit der Magnetresonanz-Bildgebung im Nanometerbereich darstellen oder gegebenenfalls auch für die Entwicklung von Festkörper-Quantencomputern nützlich werden.

Perspektive auf den Quantencomputer

Durch die Fähigkeit, die natürlichen Schwankungen in der Kernspinpolarisation zu reduzieren, könnte sich die Methode auch eignen, um die Kohärenzzeit von Festkörper-Qubits zu verbessern. Qubits sind Einheiten der Quanteninformation, welche in Quantencomputern zur Anwendung kommen sollen. Festkörper-Qubits sind sehr anfällig: Selbst winzige Schwankungen in der Kernpolarisation zerstören die quantenmechanische Kohärenz. Wenn es gelingt, diese Schwankungen zu kontrollieren, lässt sich die Kohärenzzeit verlängern. Die Kontrolle der fragilen Quantenzustände bildet eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung eines Quantencomputers.

Die Studie wurde durch den Kanton Aargau, den Schweizerischen Nationalfonds, das Swiss Nanoscience Institute (SNI) und den Nationalen Forschungsschwerpunkt Quantum Science and Technology (QSIT) unterstützt.

Originalbeitrag
P. Peddibhotla, F. Xue, H. I. T. Hauge, S. Assali, E. P. A. M. Bakkers, M. Poggio
Harnessing nuclear spin polarization fluctuations in a semiconductor nanowire
Nature Physics (2013) | doi: 10.1038/nphys2731

 

Quelle: Uni Basel
Bild: © Uni Basel (Biozentrum)

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