Forscher der Technischen Universität Delft (Niederlande) haben nachgewiesen, dass sich der Kernspin eines einzelnen Atoms direkt über Hochfrequenzsignale umschalten lässt, die durch die Spitze eines Rastertunnelmikroskops übertragen werden. Das experimentelle Ergebnis war eine Überraschung: In der Quantenphysik galt bisher die Vorstellung, dass bei einer schwachen Kopplung zwischen Kern- und Elektronenspin eine direkte Einwirkung auf den Kern auf diese Weise unmöglich ist. Die Wissenschaftler haben diese Annahme nicht nur widerlegt, sondern auch gezeigt, dass die Umschaltung des Kernspins selbst dann erhalten bleibt, wenn die Quantenverschränkung zwischen Kern- und Elektronenspin praktisch verschwindet.
Wie das Experiment aufgebaut ist
Die Grundlage des Aufbaus bildete ein modifiziertes Rastertunnelmikroskop (RTM), das elektrische Signale gezielt auf ein einzelnes Atom lenken kann, das sich auf einer Oberfläche unter der Spitze befindet. Die Forscher verbesserten die Methode der doppelten Magnetresonanz, die eine unabhängige Einwirkung auf zwei Quantenobjekte ermöglicht: den Elektronenspin und den Kernspin in seiner unmittelbaren Nähe. Zuvor wurde der Kernspin überwiegend indirekt untersucht — über die Hyperfeinwechselwirkung, die ihn mit dem Elektronenspin verknüpft und zu einer teilweisen Quantenverschränkung der entsprechenden Zustände führt. Eine direkte Steuerung des Kernspins ohne Rückgriff auf diese Wechselwirkung erforderte nach gängiger Auffassung Energien und Präzision, die mit Standard-Versuchsaufbauten unerreichbar sind.
Zwei Signale gleichzeitig
Der entscheidende Schritt war die gleichzeitige Einspeisung von zwei Hochfrequenzsignalen: Das erste entsprach der Resonanzfrequenz des Elektronenspins, das zweite der des Kernspins. Die charakteristischen Frequenzen des Kernspins erwiesen sich dabei als 100- bis 1000-mal niedriger als die des Elektronenspines, was das Experiment bereits technisch äußerst anspruchsvoll macht. Dennoch gelang es den Wissenschaftlern nachzuweisen, dass sich die Ausrichtung des Kernspins selbst in solchen Konfigurationen umschaltet, in denen die Kopplung an den Elektronenspin so weit abgeschwächt ist, dass die Zustände weitgehend nicht mehr verschränkt sind. Genau diese Beobachtung ist das Hauptergebnis der Arbeit: Der Kern reagiert entgegen den Erwartungen, die auf dem Modell der schwachen Hyperfeinwechselwirkung basieren, auf die elektrischen Signale des Mikroskops.
Die theoretische Frage bleibt offen
Warum der Kern trotz einer so schwachen Kopplung an das Elektron dennoch auf die externe Einwirkung reagiert, ist eine Frage, die die Experimentatoren noch nicht beantworten können. Eine theoretische Erklärung für den Mechanismus, der es dem Hochfrequenzsignal ermöglicht, den Kernspin ohne die Vermittlung des Elektrons zu erreichen, wird in den kommenden Monaten eine Aufgabe für Theoretiker sein. Den Forschern zufolge erfordert eine vollständige Interpretation der Ergebnisse Zeit: Sowohl die Verfeinerung des experimentellen Modells als auch die Überarbeitung festgefahrener Vorstellungen über die Grenzen der Steuerbarkeit von Kernspinzuständen auf der Ebene einzelner Atome sind notwendig.
Bedeutung für Quantentechnologien
Der praktische Wert der entdeckten Phänomene für die Entwicklung von Quantencomputern und Quantenspeichern kann kaum überschätzt werden. Kernspins sind deutlich unempfindlicher gegenüber Umwelteinflüssen als Elektronenspines: Sie behalten ihre Kohärenz länger bei und neigen weniger zur Dekohärenz. Das bedeutet, dass das Speichern von Quanteninformationen auf Kernspins zuverlässiger und die Speicherzeit länger sein wird. Darüber hinaus könnten Qubits auf Basis von Kernspinzuständen potenziell die Fehlerrate bei Quantenberechnungen senken, was eines der HauptHindernisse auf dem Weg zu skalierbaren Quantenprozessoren darstellt. Bevor jedoch der Schritt von grundlegenden Experimenten zu technischen Prototypen vollzogen werden kann, muss die Physik des beobachteten Effekts verstanden werden — und nach Einschätzung der Forscher selbst wird dies Zeit in Anspruch nehmen.
