Wissenschaftler demonstrieren die Fähigkeit des Elektronenspins, Quanteninformationen zu übertragen

Der Spin eines Elektrons ist das perfekte Quantenbit der Natur, das die Speicherung von Informationen über „eins“ oder „null“ hinaus erweitern kann. Die Ausnutzung der Freiheitsgrade des Elektronenspins (mögliche Spinzustände) ist ein zentrales Ziel der Quanteninformatik.

Jüngste Fortschritte der Forscher Joseph Orenstein, Yue Sun, Ji Yao und Fanghao Ming des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) haben das Potenzial von Magnonwellenpaketen – der kollektiven Anregung des Elektronenspins – gezeigt, Quanteninformationen über große Entfernungen in einer Klasse zu übertragen von Materialien, die als Antimagnete bekannt sind.

Ihre Arbeit stellt das traditionelle Verständnis darüber, wie sich solche Anregungen in Antimagneten ausbreiten, auf den Kopf. Die kommende Ära der Quantentechnologien – Computer, Sensoren und andere Geräte – hängt von der präzisen Übertragung von Quanteninformationen über Entfernungen ab.

Mit ihrer Entdeckung, berichtet in A Veröffentlichtes Papier In NaturphysikOrenstein und seine Kollegen hoffen, diesen Zielen einen Schritt näher zu kommen. Ihre Forschung ist Teil der umfassenderen Bemühungen des Berkeley Lab, die Quanteninformation voranzutreiben, indem sie im gesamten Quantenforschungsökosystem von der Theorie bis zur Anwendung arbeiten, um quantenbasierte Geräte herzustellen und zu testen sowie Software und Algorithmen zu entwickeln.

Der Spin des Elektrons ist für den Magnetismus in Materialien verantwortlich und kann als winziger Magnetstab betrachtet werden. Wenn benachbarte Spins in abwechselnder Richtung ausgerichtet sind, entsteht ein antiferromagnetisches System, und diese Anordnung erzeugt keine Nettomagnetisierung.

Um zu verstehen, wie sich Magnonwellenpakete durch antiferromagnetisches Material bewegen, nutzte Orensteins Gruppe Laserpulspaare, um das antiferromagnetische System an einer Stelle zu stören und es an einer anderen zu untersuchen, um Schnappschüsse seiner Ausbreitung zu erhalten. Diese Bilder zeigten, dass sich die Magnonwellenpakete in alle Richtungen ausbreiten, wie Wellen auf einer Pfütze aus umgefallenen Kieselsteinen.

Das Berkeley Lab-Team zeigte außerdem, dass sich Magnonwellenpakete im CrSBr-Antiferromagneten (Chromsulfidbromid) schneller und über größere Entfernungen ausbreiten, als aktuelle Modelle vorhersagen. Die Modelle gehen davon aus, dass jedes umlaufende Elektron nur an seine Nachbarn gekoppelt ist. Ein Maß ist ein System von Feldern, die durch Quellen mit benachbarten Feldern verbunden sind. Das Verschieben einer einzelnen Kugel aus ihrer bevorzugten Position erzeugt eine Verschiebungswelle, die sich über die Zeit ausbreitet.

Überraschenderweise sagen solche Wechselwirkungen eine langsamere Ausbreitungsgeschwindigkeit voraus, als das Team tatsächlich beobachtet hat.

„Denken Sie jedoch daran, dass jedes rotierende Elektron wie ein kleiner Stabmagnet ist. Wenn wir uns vorstellen, die Kugeln durch kleine Stabmagnete zu ersetzen, die die rotierenden Elektronen darstellen, ändert sich das Bild völlig“, sagte Orenstein. „Anstelle lokaler Wechselwirkungen ist jetzt jeder Magnetstab im gesamten System durch dieselbe weitreichende Wechselwirkung miteinander gekoppelt, die den Kühlschrankmagneten an die Kühlschranktür zieht.“