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Quantenoptik mit Elektronen: Gezielte räumlich Trennung von Elektronenpaaren

26.11.2014

Die Generation von verschränkten Photonenpaaren bildet eine wichtige Grundlage der Quanteninformationsverarbeitung. Dafür werden in der Quantenoptik spezielle Photonenquellen verwendet, die bei Bedarf genau ein Photonenpaar emittieren. In der Abteilung Elektrizität werden bereits seit längerem Einzelelektronenquellen untersucht, um sie für die Entwicklung eines Quantennormals für die elektrische Stromstärkeeinheit Ampere zu nutzen. Derartige Elektronenquellen ermöglichen nun auch erstmals die gezielte Erzeugung und räumliche Trennung einzelner Elektronenpaare.

Die Elektronenquelle erzeugt dabei einen regelmäßigen „Strahl“ von Elektronenpaaren, die sich im hohen Magnetfeld über weite Strecken durch den Halbleiter bewegen können. Die beiden gemeinsam erzeugten Elektronen besitzen dabei eine etwas unterschiedliche Energie. Ein Strahlteiler in Form einer einstellbaren Potentialbarriere sortiert nun die paarweise eintreffenden Elektronen nach der Energie: Das niederenergetische Elektron wird an der Barriere reflektiert, das höherenergetische kann sie überwinden. Auf diese Weise können die beiden Elektronen desselben Paares in zwei unterschiedliche Leitungen eingekoppelt und dadurch räumlich getrennt werden (Abbildung).

Das Ergebnis dieses Trennungsprozesses wurde durch eine sogenannte Korrelationsmessung bestätigt. Dabei wurde auch der Aufspaltungsprozess an der energieselektiven Barriere genauer untersucht. Durch unterschiedlich eingestellte Energieunterschiede der emittierten Elektronenpaare wurden verschiedene Aufspaltungsmechanismen im Experiment realisiert und mit theoretischen Modellen verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Elektronenpaare mit über 90 prozentiger Sicherheit räumlich aufgetrennt werden können. Diese Ergebnisse eröffnen vielfältige Perspektiven für zukünftige Anwendungen der an der PTB entwickelten Einzel-Elektronenquellen in der Grundlagenforschung und in der Quanten-Technologie.


Ansprechpartner: N.Ubbelohde
Fachbereich 2.5: Halbleiterphysik und Magnetismus