Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Elektronen rotieren auf ihrem Weg durch den Chip in einem spiralförmigen Muster. Durch eine Spannungsänderung ändert sich die Wellenlänge dieses Musters und die Orientierung des Spins kann somit beeinflusst werden. An einem bestimmten Ort (grauer Kasten) hat der Elektronenspin abhängig von der Spannung eine andere Orientierung. (Bild: Universität Basel, Departement Physik)

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes Elektrons ist dabei immer an seine Bewegung, also seine Bahn im Chip gekoppelt. Diese Spin-Bahn-Kopplung erlaubt zwar die gezielte Manipulation des Elektronenspins durch ein äusseres elektrisches Feld, bewirkt aber auch den Zerfall der Ausrichtung des Spins, was zu einem Informationsverlust führen würde.

In einer internationalen Kollaboration mit Kollegen aus den USA und Brasilien haben nun Wissenschaftler um Professor Dominik Zumbühl vom Departement Physik und vom Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel eine neue Methode entwickelt, mit der eine gezielte Spinmanipulation möglich ist, ohne unter solch einem Zerfall zu leiden.

Übermittlung der Spins über lange Distanzen beeinflussen
Die Wissenschaftler haben dazu einen Chip entwickelt, auf dem ein Elektron auf seinem Weg durch das Material gleichmässig ohne Abnahme der Drehung rotiert, wobei die Orientierung des Spins einem spiralförmigen Muster folgt – ähnlich einer Helix. Werden die Spannungen, die durch zwei Gate-Elektroden angelegt werden, verändert, beeinflusst dies die Wellenlänge der Helix. Durch eine Spannungsänderung kann also die Orientierung des Spins beeinflusst werden.

Es sind vor allem die sogenannten Rashba- und Dresselhaus-Felder, die die kreisförmige Bewegung des Spins bestimmen. Im vorgestellten Experiment können das Dresselhaus- und das Rashba-Feld gleich gross gehalten werden, während gleichzeitig die insgesamte Stärke der beiden Felder gesteuert werden kann. Auf diese Art und Weise kann der Zerfall der Spins unterdrückt werden.

Somit können die Forscher die Orientierung der Spins auch über Distanzen von mehr als 20 Mikrometer hinweg mit Spannungen einstellen. Auf einem Chip sind das sehr lange Distanzen, die vielen Umdrehungen der Spins entsprechen. Damit könnte zum Beispiel Spininformation zwischen verschiedenen Quantenbits übermittelt werden.

Felder mit elektrischen Spannungen einstellen
Diese Methode wird erst dadurch möglich, dass in dieser Arbeit zum ersten Mal experimentell gezeigt wurde, dass nicht nur das Rashba-Feld, sondern auch das Dresselhaus-Feld mit elektrischen Spannungen eingestellt werden kann. Dies wurde zwar schon vor mehr als 20 Jahren in einer theoretischen Arbeit vorausgesagt, konnte aber erst jetzt dank einer neu entwickelten Messmethode basierend auf Quanten-Interferenzeffekten bei tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt nachgewiesen werden. Es wird aber erwartet, dass die Steuerung der Helix mit Spannungen auch bei höheren Temperaturen und sogar bei Zimmertemperatur funktioniert.

Grundlage für Weiterentwicklungen
«Mit dieser Methode können wir nicht nur in-situ die Spinorientierung beeinflussen, sondern auch den Transfer von Elektronenspins über längere Distanzen ohne Verluste kontrollieren», bemerkt Dominik Zumbühl. Die exzellente Zusammenarbeit mit den Kollegen von der Universidade de Sao Paulo, der University of California und der University of Chicago legt die Grundlage für eine ganz neue Generation von Geräten, die auf spinbasierter Elektronik aufbauen und schafft Perspektiven für weitere experimentelle Arbeiten.

Orginalbeitrag
Florian Dettwiler, Jiyong Fu, Shawn Mack, Pirmin J. Weigele, J. Carlos Egues, David D. Awschalom, and Dominik M. Zumbühl
Stretchable Persistent Spin Helices in GaAs Quantum Wells
Physical Review X (2017), doi: 10.1103/PhysRevX.7.031010