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Nahezu unipolare Laserpulse könnten Qubits steuern

Zeitstempel: 1. Juli 2022, 5:00 Uhr

Physiker haben eine Lichtwelle geschaffen, die effektiv unipolar ist, was bedeutet, dass sie sich so verhält, als wäre sie nur ein positiver Feldimpuls und nicht die übliche positiv-negative Schwingung, die bei elektromagnetischen Wellen zu finden ist. Der positive Impuls hat eine scharfe Spitze und eine hohe Amplitude und ist stark genug, um elektronische Zustände zu wechseln oder zu verschieben, was bedeutet, dass er zur Manipulation von Quanteninformationen und vielleicht auch zur Beschleunigung konventioneller Computer verwendet werden könnte.

Elektromagnetische Wellen und insbesondere Lichtpulse können verwendet werden, um elektronische Quantenzustände mit unglaublicher Genauigkeit zu schalten, zu charakterisieren und zu steuern, erklären die Teamleiter Mackillo Kira und Rupert Huber dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Universität von Michigan in den USA und dem Universität Regensburg in Deutschland. Die Form solcher Pulse ist jedoch grundsätzlich auf eine Kombination aus positiven und negativen Schwingungen beschränkt, die sich zu Null addieren. Infolgedessen bewegt der positive Zyklus möglicherweise Ladungsträger (Elektronen oder Löcher), aber der negative Zyklus zieht sie dann wieder auf Platz eins zurück.

Die positive Spitze ist stark genug, um elektronische Zustände umzuschalten oder zu verschieben

Ein idealer quantenelektronischer Schaltpuls wäre so hoch asymmetrisch, dass er komplett unidirektional wäre – also nur eine positive (oder negative) Halbwelle der Feldoszillation enthalten würde. Unter diesen Bedingungen könnte ein solcher Puls einen Quantenzustand, wie etwa ein Quantenbit, in minimaler Zeit (einem halben Zyklus) und mit maximaler Effizienz (keine Hin- und Herschwingungen) umkehren.

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Dies ist für sich frei ausbreitende Wellen grundsätzlich unmöglich, aber Kira, Huber und Kollegen haben einen Weg gefunden, das „Nächstbeste“ in Form einer quasi-unipolaren Welle zu erzeugen, die aus einer sehr kurzen positiven Spitze mit hoher Amplitude besteht, die zwischen zwei eingebettet ist lange negative Spitzen mit niedriger Amplitude. „Die positive Spitze ist stark genug, um elektronische Zustände zu wechseln oder zu verschieben“, erklären Kira und Huber, „während die negativen Spitzen zu klein sind, um eine große Wirkung zu haben.“

Ausgangspunkt der Arbeit der Forscher war ein neu entwickelter Stapel von Nanofilmen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien wie Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), der epitaktisch auf Gallium-Arsenid-Antimonid (GaAsSb) aufgewachsen wurde. Jeder der Nanofilme ist nur wenige Atomlagen dick, und an der Grenzfläche zwischen ihnen können ultrakurze Laserpulse vor allem im InGaAs-Film Elektronen anregen. Die von den angeregten Elektronen zurückgelassenen Löcher verbleiben im GaAsSb-Film und erzeugen eine Ladungstrennung.

Effektive Halbzyklus-Lichtimpulse

„Dann nutzten wir unseren quantentheoretischen Durchbruch, indem wir die elektrostatische Anziehung zwischen den entgegengesetzt geladenen Elektronen und Löchern nutzten, um sie auf präzise kontrollierte Weise wieder zusammenzuziehen“, erzählt Kira Physik-Welt. „Die Kombination aus schnellem Laden und langsameren Ladungsschwingungen strahlte die unipolare Welle aus, die wir als effektive Halbzyklus-Lichtimpulse im Ferninfrarot- und Terahertz-Teil des elektromagnetischen Spektrums zugeschnitten haben.“

Huber beschreibt die resultierende Terahertz-Emission als „verblüffend unipolar“, wobei die einzelne positive Halbwelle einen etwa viermal höheren Spitzenwert als die beiden negativen Spitzen aufweist. Während Forscher lange daran arbeiteten, Lichtpulse mit immer weniger Schwingungszyklen zu erzeugen, lag die Möglichkeit, Terahertz-Pulse so kurz zu erzeugen, dass sie effektiv weniger als eine einzige halbe Schwingungsperiode umfassen, „außer unseren kühnsten Träumen “.

Kira und Huber sagen, dass diese unipolaren Terahertz-Felder ein leistungsfähiges Werkzeug zur Steuerung neuartiger Quantenmaterialien auf Zeitskalen sein könnten, die mit mikroskopischer elektronischer Bewegung vergleichbar sind. Die Forscher schlagen vor, dass die Felder auch als überlegene, gut definierte „Uhrwerke“ für ultraschnelle Elektronik der nächsten Generation dienen könnten. Schließlich seien die neuen Emitter, so behaupten sie, „perfekt angepasst“ für den Betrieb in Kombination mit industrietauglichen Hochleistungs-Festkörperlasern und könnten somit „eine extrem skalierbare Plattform für Anwendungen sowohl in der Grundlagenwissenschaft als auch in der Industrie“ bilden.

Die Forscherinnen und Forscher, die über ihre Arbeit berichten Licht: Wissenschaft & Anwendungen, sagen, dass sie begonnen haben, diese Impulse zu verwenden, um neue Plattformen für die Quanteninformationsverarbeitung zu erforschen. „Andere Anwendungen umfassen die Einkopplung dieser Impulse in ein Rastertunnelmikroskop, mit dem wir die Mikroskopie mit atomarer Auflösung auf Zeitskalen von wenigen Femtosekunden beschleunigen können (1 fs = 10-15 s) und erfassen so die Bewegung von Elektronen im realen Raum und in der Zeit in echten mikroskopischen Videos in Ultrazeitlupe“, erklären sie.

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