Ein Elektron reist erstmals allein durch ein Metall

Jeder der versucht, den Weg eines einzelnen Elektrons in einem Metall zu verfolgen, wird enttäuscht: Erstens lassen sich die Elektronen nicht voneinander unterscheiden und zweitens neigen sie dazu, sich in Schwärmen zu bewegen. Physikern des Néel-Instituts vom CNRS (französisches Zentrum für wissenschaftliche Forschung) in Grenoble ist es gelungen, ein einzelnes Elektron zu isolieren und es über eine bestimmte Strecke zu bewegen. Zu diesem Zweck haben die Forscher ein experimentelles Verfahren auf der Basis von „Quantenpunkten“ entwickelt, zwischen denen ein einzelnes Elektron auf einer Schallwelle surft. Ein erstmaliges Ereignis, das das Zeitalter der Teleportation des Spins eines Elektrons und des Quantencomputers einläuten könnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden am 22. September 2011 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Quantenpunkte sind die Schlüsselelemente dieser Methode, die von den französischen Physikern in Zusammenarbeit mit Forschern der Universitäten in Tokio und Bochum entwickelt wurde. Quantenpunkte sind eine Art mikroskopisch kleiner Elektronenangeln, mit denen einzelne Elektronen über eine elektrische Leitung gleiten können. Die Forscher in Grenoble haben zwei dieser Punkte an den Enden eines Kanals platziert, der in eine dünne Goldschicht eingebracht wurde. Der erste Quantenpunkt dient dazu, ein Elektron im Kanal freizusetzen; der Zweite dient als „Anlaufpunkt“ des Elektrons, nachdem es auf der Welle „gesurft“ ist.

Neben der experimentellen Leistung ebnet dieses „elektronische Surfen“ Wege für die Grundlagenphysik, um quantenoptische Experimente auch auf andere Teilchen als Photonen auszuweiten. Bis jetzt waren Photonen die einzigen Teilchen, die sich für die Teleportation und die Quantenkryptographie eigneten. Die Schwierigkeit bei der Nutzung von Elektronen bestand darin, dass sie sich nicht einzeln zwischen den verschiedenen Quantenpunkten bewegen ließen. Durch das „Surfen“ auf Schallwellen wurde dieses Problem gelöst und eröffnet so neue Wege für die Teleportation von Elektronspins, die Quantenkryptographie auf Elektronenbasis und Quantencomputer.

Quelle: Pressemitteilung des CNRS – 21.09.2011 – http://www2.cnrs.fr/presse/communique/2284.htm

Redakteur: Charles Collet, charles.collet@diplomatie.gouv.fr