Elektronenpaare spalten

News: Elektronenpaare spalten

Teleportation und besonders sichere kryptographische Verfahren sollen mithilfe der Quantenmechanik möglich werden. Dazu bedarf es jedoch ganz besonderer Teilchenpaare, die ein inniges Verhältnis zueinander pflegen - gar nicht einfach, diese dann wieder zu trennen.

Thorsten Krome

Längst haben Wissenschaftler Konzepte erarbeitet, wie sich einzelne Teilchen teleportieren lassen und damit sogar eine abhörsichere Kommunikation möglich wird. Dazu müssen so genannte verschränkte Teilchenpaare erzeugt werden, die so stark miteinander verschwistert sind, dass eine Messung des Zustands des einen Partners gleich auch den Zustand des anderen offenbart – selbst wenn sich die Teilchen an entgegensetzten Enden des Universums befänden.

Tatsächlich ist es Forschern bereits gelungen, solche Paare aus Photonen zu erzeugen und so Licht über einige Meter hinweg zu teleportieren. Doch ist das ein aufwändiges und nicht sonderlich effektives Verfahren, denn die Ausbeute an verschränkten Photonen ist häufig nicht sehr groß.

Viel praktischer wäre es da, Teilchenpaare zu nehmen, die schon von Natur aus verschränkt sind. Tatsächlich gibt es solche Paare – in Supraleitern. Denn hier schließen sich die Elektronen zu so genannten Cooper-Paaren zusammen, deren Impuls und Spin gerade entgegengesetzt zueinander orientiert ist. So können Sie widerstandsfrei durch das Material wandern und verlustfrei Strom leiten. Zwar gelang es Wissenschaftlern schon, diese Cooper-Paare aus dem Supraleiter heraus in ein anderes Material zu transferieren, doch ließen sich die Teilchen nicht getrennt auf die Reise schicken, wie es mit verschränkten Photonen möglich und für etwaige Teleportationsexperimente unerlässlich ist.

Nun schlagen Cristina Bena und ihre Kollegen von der University of California in Santa Barbara eine Methode vor, wie das zu bewerkstelligen ist: Und einmal mehr scheinen winzige Röhren aus Kohlenstoff das Mittel der Wahl zu sein. Derartige Nanoröhrchen bestehen aus einer aufgerollten Lage Graphit und haben sich aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften schon für so manche Anwendung förmlich aufgedrängt.

Auch als Cooper-Paar-Teiler scheinen sie sich nun zu eignen, denn aufgrund ihrer geringen Abmessungen verhalten sich Elektronen hier anders als sie es sonst, in voluminösen Metallproben tun. So müssen sich beispielsweise alle Elektronen umgruppieren, wenn dem Röhrchen ein zusätzliches Elektron aufgebürdet wird, was natürlich Energie kostet. Um nun aber zwei Elektronen hinzuzufügen, muss die Energie gleich noch viel größer sein, sodass es für ein Cooper-Paar durchaus attraktiver sein kann, sich auf zwei Röhrchen aufzuteilen. Über eine Spannungsdifferenz lassen sich dann die Ladungsträger in ein Paar von Röhrchen saugen – und zwar jedes Elektron in sein eigenes.

So lassen sich die verschränkten Ladungsträger über verhältnismäßig große Distanzen transportieren. "Wir reden nicht von einigen Ångström, sondern von ungefähr einem Mikrometer", meint Smitha Vishveshwara ebenfalls von der University of California in Santa Barbara. Der quantenmechanische Zustand würde wohl auch lange erhalten bleiben, denn die Elektronenspins kommen sich nicht mit den Spins der Kohlenstoffatome ins Gehege. So könnten Forscher schließlich in der Lage sein, ganze Arrangements aus Nanoröhrchen zu schaffen, um damit verschränkte Elektronen zu manipulieren – die Basis eines Quantencomputers.

Doch die Anwendung ist zunächst nicht so wichtig, meint Charles Marcus von der Harvard University. Die Aussicht, verschränkte Teilchen in einem neuen System zu untersuchen, wäre interessant genug. Und mit der experimentellen Umsetzung ihrer Idee hätten Bena und ihre Kollegen ohnehin schon eine schwierige Aufgabe zu bewältigen.