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Kohärente Kontrolle der elektronischen und nuklearen Spins in Quantenpunktensembles

John von Neumann Exzellenzprojekt 2019
Prof. Frithjof Anders, Universität Dortmund

Foto Prof. Frithjof AndersProf. Frithjof Anders

Kohärent kontrollierte Elektronenspins in einem Ensemble aus Halbleiterquantenpunkten werden wegen ihrer Integrierbarkeit in konventionelle Halbleiterbauelemente als Baustein für die Quanteninformationsverarbeitung diskutiert. Es wurden von uns sowohl klassische als auch quantenmechanische Simulationen der Spindynamik in solchen Ensembles durchgeführt, mit dem Ziel, die Auswirkung verschiedener Wechselwirkungen auf die Spindynamik aufzuklären.

In quantenmechanischen Rechnungen [1] untersuchten wir den Einfluss von periodischen Laserpulsen auf einen Quantenpunkt als Funktion eines äußeren Magnetfeldes. Dabei wurden bis zu 20 Millionen Pulse berücksichtigt. Wir konnten zeigen, dass über die Hyperfeinwechselwirkung eine Nichtgleichgewichtsverteilung der Kernspinausrichtung entsteht. Die periodischen Maxima der Verteilung lassen sich durch zwei analytische Stationaritätsbedingungen vorhersagen. Die Synchronisierung der Spindynamik führt zu einem kohärenten Signal vor der Ankunft des nächsten Laserpulses: die Dephasierung ist teilweise unterdrückt. Die Rechnungen zeigen auch den Einfluss des nuklearen Zeeman-Effekts auf die Magnetfeldabhängigkeit der Amplitude des Signals. Dabei spielt nicht nur die Anregungsfrequenz, sondern auch die Anregungsdauer des Laserpulses eine zentrale Rolle.

Kleine Cluster aus Quantenpunkten wurden als Repräsentant des Ensembles mit klassischen Bewegungsgleichungen simuliert [2]. Durch den Wachstumsprozess sind nicht alle Quantenpunkte identisch: die Anregungsenergien folgen einer Gaußverteilung. Durch Auswahl verschiedenfarbiger Laser oder durch Variation der Laserlinienbreite lässt sich eine Teilmenge der Quantenpunkte gleicher Anregungsenergien ansteuern. Die experimentellen Befunde in solchen Systemen können unter der Annahme einer schwachen Heisenberg-Wechselwirkung zwischen den Quantenpunkten sehr gut verstanden werden. Die Aufklärung dieser Wechselwirkung ist insbesondere wegen der möglichen Entstehung von Verschränkungen von großem Interesse.

 

Optische Anregung von Elektronenspins in einem Quantenpunktensemble

Abb. 1: Optische Anregung von Elektronenspins in einem Quantenpunktensemble

 

Die Langzeitdynamik von Spin-Echos in Quantenpunkten wird interessanterweise durch andere, sehr schwache Wechselwirkungen beeinflusst, die in Spinrauschexperimenten nur sehr eingeschränkt nachgewiesen und aufgeklärt werden können. Wir haben daher sowohl quantenmechanische als auch klassische Simulationen für das Spinrauschen in vierter Ordnung durchgeführt [3], bei der Spinrauschkomponenten unterschiedlicher Frequenzen miteinander korreliert werden. Beide Simulationen zeigen eine deutliche charakteristische Signaländerung, wenn die quadrupolaren Wechselwirkungen der Kernspins berücksichtigt werden. Wir schlagen daher solche Messungen vor, um neue Informationen über die Art der vorhandenen Wechselwirkungen zu gewinnen.

Die Rechnungen wurden auch im Rahmen des deutsch-russischen Transregios TRR 160 Dortmund/St. Petersburg von der DFG gefördert.

Vierte Ordnung Spin Noise Funktion S4 für ein kleines magnetisches Feld bx=1

Abb. 2: Vierte Ordnung Spin Noise Funktion S4 für ein kleines magnetisches Feld bx=1. Links: Quantenmechanische Rechnung mit einem Spin 9/2. Rechts: Klassische Rechnung mit 100 Spins 1/2. Das hier dargestellte Bild wurde in Fröhling et al, Phys. Rev. B 99, 155305 (2019) [3] veröffentlicht. 

 

Literaturverweise:
[1] I. Kleinjohann, E. Evers, P. Schering, A. Greilich, G.S. Uhrig, M. Bayer, F.B. Anders, Phys. Rev. B 98, 155318 (2018)
[2] A. Fischer, E. Evers, S. Varwig, A. Greilich, M. Bayer, F.B. Anders, Phys. Rev. B 98, 205308 (2018)
[3] N. Fröhling, N. Jäschke, F.B. Anders, Phys. Rev. B 99, 155305 (2019)


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