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Verschränkte Elektronen trennen mit Nanoröhren

Von Rainer Scharf

Zwei Teilchen in einem verschränkten Quantenzustand zeigen abgestimmtes Verhalten - ganz gleich wie weit sie voneinander entfernt sind. Während man verschränkte Photonen schon auf einen Abstand von mehr als zehn Kilometern gebracht hat (1), konnte man verschränkte Elektronen bisher nicht voneinander trennen, ohne ihre Verschränkung zu zerstören. Mit Hilfe von Kohlenstoffnanoröhren und Supraleitern könnte das jedoch bald gelingen.

Die Elektronen in Supraleitern bilden Cooper-Paare, die in den supraleitenden Grundzustand kondensieren. In einem "Tieftemperatursupraleiter" sind die beiden Elektronenspins eines Cooper-Paares einander stets entgegengerichtet. In welche Richtung sie zeigen, ist indes völlig unbestimmt und entscheidet sich erst bei einer Messung. An verschränkten Elektronen herrscht also in einem Supraleiter kein Mangel. Um sie zu trennen, schlagen Cristina Bena und ihre Kollegen von der University of Santa Barbara in Kalifornien vor, zwei Kohlenstoffnanoröhren mit dem Supraleiter in Kontakt zu bringen (2).

Die einwandigen Nanoröhren müssen dazu den Supraleiter jeweils mit einem Ende berühren. Die Kontaktpunkte sollten unmittelbar nebeneinander liegen. Ihr Abstand beträgt dann ungefähr ein Nanometer und wäre damit wesentlich kleiner als die räumliche Ausdehnung eines Cooper-Paares. Die Berechnungen der Forscher haben nun folgendes ergeben: Trifft ein Cooper-Paar auf die Kontaktpunkte, so wird es zumeist gespalten und jede der beiden Nanoröhren nimmt genau ein Elektron auf. Wesentlich seltener kommt es vor, dass beide Elektronen in dieselbe Röhre eindringen, da sich hier ihre Ladungen stark abstoßen.

Sind die verschränkten Elektronen erst einmal in unterschiedlichen Nanoröhren, so kann man ihren Abstand weiter vergrößern. Dazu legt man an die Röhren ein elektrisches Potentialgefälle, das die Elektronen die Röhren entlanglaufen lässt. Die Forscher glauben, dass die beiden Elektronen Strecken von mehr als einem Mikrometer zurücklegen können, ohne dass ihre Verschränkung zerstört wird. Auf diese Weise könnte man verschränkte Elektronen auf Distanzen von mehreren Mikrometern bringen.

Die kalifornischen Wissenschaftler schlagen noch eine ganze Reihe von Experimenten mit den verschränkten Elektronen vor. So könnte man ihren Spinzustand messen und dadurch ihre Verschränkung direkt nachweisen. Auch für einen Quantencomputer wären verschränkte Elektronen von Interesse, wenn ihr Abstand voneinander so groß ist, dass man sie einzeln manipulieren kann. Allerdings müsste das alles bei sehr tiefen Temperaturen geschehen: Die Cooper-Paare lassen sich vermutlich nur unterhalb von 1 Kelvin spalten. 

Weitere Information
(1) W. Tittel et al. Violation of Bell Inequalities by Photons More Than 10 km Apart. Physical Review Letters 81, 3563 (1998). http://link.aps.org/abstract/PRL/v81/p3563

(2) C. Bena et al. Quantum Entanglement in Carbon Nanotubes. Physical Review Letters 89, 037901 (2002). http://link.aps.org/abstract/PRL/v89/e037901

Kontakte
Leon Balents: http://www.physics.ucsb.edu/~balents/
Matthew Fisher: http://theory.itp.ucsb.edu/~mpaf/index.html

pro-physik.de v. 9.7.2002

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