Physik - Technische Universität Braunschweig

9
Institut für
Mathematische Physik
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Patrik Recher
Leitwert von typischen niedrigdimensionalen Nanostrukturen, welche in unserer
AG untersucht werden:
Oben: Leitwert (G) einer Kohlenstoffnanoröhre als Funktion der Spannung (V)
und Temperatur (T). Die Oszillationen sind quantenmechanische Interferenzen
hervorgerufen durch schwache Rückstreuung an den Kontakten.
Unten: Aharonov -Bohm Effekt in einem Graphen Ring mit einer normalleitenden
(N)- und einer supraleitenden (S)- Zuleitung zur Untersuchung der speziellen
Andreev Reflektion (Elektron-Loch Konversion am NS-Übergang) in Graphen
im Kontakt mit S.
Unsere Arbeitsgruppe befasst sich theoretisch mit Phänomenen
des elektrischen Transports in niedrigdimensionalen
Strukturen wie Quanten Punkten (kleine Ladungsinseln),
zwei-dimensionalen Systemen wie Graphen (einschichtiges
Graphit) und topologischen Isolatoren (Isolatoren mit besonderen
metallischen Oberflächenzuständen), und ein-dimensionalen
Leitern realisiert zum Beispiel in Kohlenstoffnanoröhren.
In solchen kleinen Nano-Strukturen spielt die Quantenphysik
eine entscheidende Rolle und es gibt faszinierende Abweichungen
vom „gewöhnlichen“ elektrischen Strom, der
zum Beispiel in der Glühbirne fließt. Dieses ungewöhnliche
Verhalten kann auch technisch ausgenutzt werden und kann
von großer Bedeutung sein. Denken Sie nur an Computer
oder Handys, welche immer kleiner werden und dabei immer
mehr Datenleistung aufbringen sollten. Diese fortschreitende
Miniaturisierung verlangt nach neuen Materialien und Konzepten
der Datenübertragung.
Ein besonderes Interesse in unserer Forschung gilt dem Elektronenspin
(intrinsischer Drehimpuls des Elektrons, mit dem
ein magnetisches Moment verknüpft ist ähnlich einer Kompassnadel
welches im Magnetfeld „klassisch“ nur zwei Einstellungen
haben kann: Spin-rauf oder Spin-runter). Wir untersuchen
mit mathematischen Modellen basierend auf der
Quantenmechanik, wie der Spin im Transport in diesen faszinierenden
Materialien für die Übertragung von (Quanten-)Information
genutzt, manipuliert und detektiert werden kann.
Es kann also, im Gegensatz zur herkömmlichen ladungsbasierten
Elektronik, auch der Spin als tragendes Element von
Information gebraucht werden. Man spricht dann auch von
Spinelektronik. Da der Spin ein quantenmechanischer Freiheitsgrad
mit zwei „klassischen“ Einstellungen ist, gibt es
Überlegungen, den Elektronenspin als sogenanntes Quantenbit
für einen Quantencomputer zu nutzen. Ein Quantenbit
kann auch in einer Überlagerung der klassischen logischen
Zuständen 0 = Spin-rauf und 1 = Spin-runter sein. Eine solche
Überlagerung könnte in einem Quantencomputer zur
besseren Rechenleistung ausgenutzt werden. Eine solche
Überlagerung zweier (oder mehrerer) Spins wird Verschränkung
genannt und ist ebenfalls von großer Bedeutung. Wir
untersuchen innerhalb eines EU-Projektes an welchem Arbeitsgruppen
(Theorie und Experiment) aus 7 europäischen
Ländern beteiligt sind, wie solche verschränkte Elektronenspins
im Festkörper erzeugt und detektiert werden können.
Wir sind nicht nur national und international gut verknüpft,
sondern haben auch gemeinsame Projekte mit anderen Physik-
und Elektrotechnikinstituten der TU Braunschweig sowie
mit der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) und innerhalb
der NTH (Niedersächsische Technische Hochschule).
www.imaph.tu-bs.de