Experimentelle Hinweise auf den Spin

Christian Hermenau

H. Rohrbach

Mit dem Eindringen in den Bereich der Mikrophysik haben sich nicht nur die grundlegenden Erkenntnisse der Physik wesentlich erweitert und vertieft. Es haben sich auch die Denkkategorien gewandelt, da sich das auf die Logik des Aristoteles gründende Denken in Alternativen für mikrophysikalische Phänomene und Strukturen als unzureichend erwiesen hat. Um sowohl den Wellenaspekt wie den korpuskularen Aspekt der Wirklichkeit gedanklich zu erfassen, war die Konzeption der Komplementarität und der Nichtobjekti-vierbarkeit als neuer Denkkategorien erforderlich. Hiervon berichtet der vorstehende Aufsatz und gibt zugleich Hinweise auf die Bedeutsamkeit dieses Wandels für die auf der klassischen Physik beruhende medizinische Erkenntnis.

Robert Gilmore

ZusammenfassungAlice ging in den Wald und wanderte unter Bäumen, bis sie zu einer Wegegabelung kam. An der Kreuzung war zwar ein Wegweiser, aber der schien nicht hilfreich. Auf dem Pfeil nach rechts stand A, auf dem nach links B und sonst nichts. „Dies ist der nutzloseste Wegweiser, der mir je begegnet ist“, schimpfte Alice erbittert. Sie blickte umher, um auf irgendwelche Hinweise zu stoßen, wohin die Wege führten. Ein wenig war sie schon erschrocken, als da plötzlich Schrödingers Katze vor ihr auf einem Baum saß.

Norbert Straumann

W. Braunbek

Thomas Astner

In den letzten Jahren konnte das negativ geladene Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV) in Diamant aufgrund seiner vielzähligen Anwendungsmöglichkeiten große Aufmerksamkeit auf sich ziehen. So zum Beispiel reichen die Möglichkeiten von hoch präzisen Sensoren bis hin zu Quanten Informationsprotokollen. Eigenschaften wie lange Spin-Phasen Kohärenz und Lebenszeit stellen das NV Zentrum auch in den Fokus aktueller Forschung. Um all diese Eigenschaften noch besser nutzen zu können, ist es wichtig die zugrundeliegenden physikalischen Phänomene dieses Systems zu verstehen. Ein wichtiger Punkt dabei ist die Wechselwirkung des Spin Freiheitsgrades mit den Phononen des Diamantgitters. In einem Festkörpers sind longitudinale Relaxationsprozesse bei denen der Spin Energie an die Phononen abgibt dominant. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Bestimmung der longitudinalen Spin-Gitter Relaxationszeit im Limit von niedrigen Temperaturen. Das Experiment basiert auf Cavity-Quantenelektrodynamik im starken dispersiven Limit. Dort ist es möglich den Spin-Inversionszustand von bis zu 1e16 NV Spins zu bestimmen. Bemerkenswert, die niedrige phononische Zustandsdichte erlaubt der Spininversion über lange Zeitskalen von bis zu 8h zu bestehen. Dieses experimentelle Ergebnis wird zusätzlich durch eine ab initio Simulation basierend auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) gestützt. Es zeigt sich, dass im Niedrigtemperaturlimit ein Einzel-Phononen Prozess den dominanten Realxationsmechanismus darstellt. In einem weiteren Experiment im dispersiven Limit wird die Eignung von NV Zentren für Quanten Informationsaufgaben gezeigt. Zwei räumlich getrennte Spin Ensembles werden an eine gemeinsame bosonische Resonatormode gekoppelt. Diese kohärente Kopplung ist ein erster Schritt in Richtung Verschränkung makroskopischer Ensembles und eröffnet Möglichkeiten ungewöhnliche Dynamik wie zum Beispiel die Relaxation zu negativen Temperaturen zu studieren. Die Kopplung der entfernten Ensembles entsteht durch virtuelle Photonen in der Resonantormode. Kohärente Kopplung ist eine notwendige jedoch nicht hinreichende Bedingung für Quantenverschränkung - ein Phänomen welch experimenteller Nachweis immer noch eine große experimentelle Herausforderung darstellt.