Dekohärenz eines elektronischen und makroskopischen Superpositionszustandes durch Wechselwirkung mit einem Supraleiter

• Antragsteller: Dr. Alexander Stibor
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265596161

Die Erforschung des Übergangs von einem quantenmechanischen in ein klassisches System gehört zu den Grundlagen der modernen Physik. Dieser Verlust der Quanteneigenschaften wird in der Theorie der Dekohärenz beschrieben. Er ist in von fundamentaler, aber auch technischer Relevanz, z.B. bei der Verwirklichung von hybriden Quantensystemen. In diesem Projekt wird ein Modellsystem realisiert, in dem ein makroskopischer, elektronischer Superpositionszustand in einem Biprisma-Interferometer durch die Coulomb-Wechselwirkung an eine supraleitende Umgebung koppelt. Dabei wird eine Elektronenwelle durch einen dünnen, elektrostatisch geladenen Draht kohärent aufgespalten und wieder zusammengeführt. Noch bevor die Teilwellen überlagert und zur Interferenz gebracht werden, überfliegen sie eine supraleitende Oberfläche in einem variablen Abstand von wenigen zehn Mikrometern. Es kommt zur Coulomb-Wechselwirkung zwischen der elektronischen Materiewelle und den Cooperpaaren im Supraleiter, welche einen direkten Einfluss auf die Dekohärenz des Superpositionszustands hat. Dieser ist anhand eines Kontrastverlusts im Interferenzmuster beobachtbar.In dem geplanten Vorhaben verschwindet der elektrische Widerstand in der Oberfläche komplett aufgrund des Supraleiters, im Gegensatz zu früheren Dekohärenz-Experimenten mit Elektronen über einer halbleitenden Oberfläche. Es wurde für Halbleiter gezeigt, dass aufgrund der Ausbildung von Spiegelladungen unter den Elektronenpfaden gerade dieser Widerstand zu einer Übertragung von Welcher-Weg-Information an die Umgebung und daher zur Dekohärenz führt. Verschiedene theoretische Modelle setzen einen dissipativen Term für die Reibung der Spiegelladungen voraus, als Konsequenz des elektrischen Widerstands des Materials. Mit steigender Distanz zwischen den Elektronenpfaden und sinkendem Abstand zur Oberfläche kommt es dadurch zu einer Verringerung des Interferenzkontrasts. Das Verhalten des elektronischen Superpositionszustandes über einem Supraleiter kann mit bisherigen Theorien dagegen nicht beschrieben werden und wird nun im Rahmen des Projekts im Detail experimentell untersucht. Im Weiteren sollen ungeklärte Fragen bezüglich der Dekohärenz eines solchen elektronischen Überlagerungszustandes über metallischen und verschieden dotierten, halbleitenden Oberflächen behandelt werden. Bisherige Vorhersagen konnten nur den Verlauf der Dekohärenz über einem bestimmten Halbleiter korrekt wiedergeben, nicht jedoch die gemessene Stärke der Dekohärenz. Nun wird diese auch über Oberflächen untersucht, deren Widerstandswerte um bis zu neun Größenordnungen variiert werden können. Es wird theoretisch erwartet, dass die Dekohärenz auch von der Temperatur der Oberfläche abhängt. Daher wird diese für Temperaturen zwischen 4 und 500 K gemessen. Die Ergebnisse werden mit aktuellen Dekohärenzmodellen verglichen. Das Ziel ist dadurch eine korrekte Beschreibung der Dekohärenzmechanismen nahe leitender und supraleitender Oberflächen zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen