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Was normalerweise als Störung gilt, kann unter bestimmten Bedingungen erstaunlich nützlich sein: Rauschen. Forschende der Universität Duisburg-Essen haben gezeigt, wie sich das zufällige Rauschen, das der quantenmechanische Tunneleffekt verursacht – ein Phänomen, das auch im Mittelpunkt des diesjährigen Physik-Nobelpreises steht –, gezielt beeinflussen lässt. Die nun in Communications Physics veröffentlichten Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für zukünftige Quantenbauelemente.
Der HiFi-Enthusiast hasst es, Elektroniker:innen macht es die Arbeit schwer: Rauschen - also ungewollte, zufällige Störungen aus der Umgebung, die das eigentliche Signal überlagern und verfälschen. Rauschen kann aber auch nützlich sein und Prozesse verstärken. Der dahintersteckende Mechanismus ist die „Stochastische Resonanz“. Bei diesem Phänomen verstärken kleine zufällige Schwankungen ein eigentlich schwaches Signal, so dass es klarer und regelmäßiger wahrgenommen werden kann.
In einer Kooperation aus Experiment und Theorie ist es den Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Axel Lorke und Prof. Dr. Jürgen König an der Universität Duisburg-Essen (UDE) nun gelungen, Stochastische Resonanz in einem Quantenphänomen zu beobachten. Mithilfe von hochauflösender Laserspektroskopie haben die Arbeitsgruppen die Bewegung eines einzelnen Elektrons verfolgt, das sich entweder in einer winzigen Nanostruktur (einem „Quantenpunkt“) befinden kann oder außerhalb in einem Elektronenreservoir. Zwischen Reservoir und Quantenpunkt gibt es eine Barriere, die das Elektron aber aufgrund des quantenmechanischen Tunneleffekts durchdringen kann. „Wenn man einen Ball gegen eine Barriere wirft, wird er zurückprallen. In der Quantenwelt kann aber ein Elektron mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit die Barriere durchdringen und so auf die andere Seite gelangen. Das ist möglich, weil Teilchen sich auch wie Wellen verhalten. Das ist der Tunneleffekt“, erklärt Lorke.
Der Tunnelprozess, dessen Erforschung mit dem diesjährigen Nobelpreis ausgezeichnet wurde, ist vollkommen zufällig und stellt damit eine Rauschquelle für die Elektronenbewegung dar. Durch Anlegen einer kleinen Wechselspannung konnte diese Zufallsbewegung aber gebändigt werden, so dass das Elektron deutlich regulärer zwischen Quantenpunkt und Elektronenreservoir hin- und her pendelte.
Um dies zu zeigen, wurden mithilfe von hochentwickelten statistischen Methoden Millionen von Tunnelprozessen zeitlich analysiert. Überraschend dabei: Die beste Unterdrückung der Zufallsbewegung tritt nicht bei der Frequenz auf, die nach den üblichen Erklärungen der Stochastischen Resonanz zu erwarten gewesen wäre. Je nach Stärke der Wechselspannung lag sie zum Teil sogar deutlich darunter. Ein Phänomen, das noch nicht vollständig verstanden ist und die Tür zu weiteren Untersuchungen aufstößt.
Die Arbeit der Duisburger Physiker ist von Relevanz für visionäre Quantenbauelemente, beispielsweise für abhörsichere Kommunikationskanäle, in denen die einzelnen Bits möglichst regelmäßig verschickt werden sollen.
Prof. Dr. Axel Lorke, Experimentalphysik, Tel. 0203/379- 3265, axel.lorke@uni-due.de
https://doi.org/10.1038/s42005-025-02334-4
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Elektrotechnik, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
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