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Physiker am Lehrstuhl T2 mit einem NIC-Exzellenzprojekt 2019 ausgezeichnet

Aus Projekten, die von Medikamenten- und Klimaforschung, über Arbeiten der theoretische Chemie, der verschiedener Physikdisziplinen, der Mathematik, der Informatik bis zu großen Strömungssimulationen aus dem Maschinenbau reichten, ist ein Projekt zur kohärenten Kontrolle von Elektronenspins der Gruppe von Prof. Frithjof Anders, Lehrstuhl theoretische Physik II, vom John von Neumann-Institut für Computing am FZ Jülich für ein NIC-Exzellenzprojekt 2019 ausgewählt worden. Dr. Nina Fröhling, Dr. Natalie Jäschke, Iris Kleinjohann und Andreas Fischer trugen durch ihre Simulationen auf den Jülicher Höchstleistungsrechnern JUWELS und JURECA Booster, die sie im Rahmen der Teilprojekte A4 und A7 des deutsch-russischen Transregios TRR 160 Dortmund/St. Petersburg durchführten, zu insgesamt drei hochrangigen Publikationen bei, die von der Jury gewürdigt wurde.

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Andreas Fischer,  Prof. Frithjof Anders, Dr. Natalie Jäschke und Iris Kleinjohann. Foto: Fabian Eickhoff

Kohärent kontrollierte Elektronenspins in einem Ensemble aus Halbleiterquantenpunkten werden wegen ihrer Integierbarkeit in vorhandene Halbleiterbauelement als Baustein für die Quanteninformationsverarbeitung diskutiert. Die am Lehrstuhl T2  durchgeführten Simulationen konnten wichtige Beiträge zu Spinrelaxationszeiten und zum Aufprägen von Nichtgleichgewichtsverteilungen der Kernspinausrichtung durch periodische Anregung mit zirkular polarisiertem Licht leisten. Letzteres führt zu einer teilweisen Unterdrückung der Dephasierung. Zudem schlägt die Forschergruppe die Messung von Spinrauschfunktionen höherer Ordnung vor. Die Rechnungen zeigen, dass diese Größen sensitiv auf sehr schwache Wechselwirkungen reagieren.

Zeichnung

Abb. 1: Optische Anregung von Elektronenspins in einem Quantenpunktensemble

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.

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.

Mehr zum NIC Exzellenzprojekt ist hier zu finden: "Kohärente Kontrolle der elektronischen und nuklearen Spins in Quantenpunktensembles John von Neumann Exzellenzprojekt 2019"

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)