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Quantenphysik for Beginners
Die Quantenphysik verstehen wohl nur hartgesottene Spezialistinnen und Spezialisten so richtig. Doch ist das kein Grund, es als Laie gar nicht erst zu versuchen. Unsere Übersicht erklärt die Quantenwelt zwar nicht vollständig, dafür aber verständlich.
Abbildung A visualisiert schematisch die Integration von Kohlenstoff-Nanobändern (rot) als aktives Element in einem elektronischen Bauteil.
Abbildung B illustriert zwei chemisch unterschiedlich zusammengesetzte Bereiche eines Kohlenstoff-Nanobands. Der obere Bereich besteht nur aus Kohlenstoff (grün), dort sorgen die Elektronen für die elektrische Leitfähigkeit. Im unteren Bereich hat es neben Kohlenstoff- auch Stickstoffatome (blau); dort gewährleisten Löcher die elektrische Leitfähigkeit.
Abbildung C zeigt Kohlenstoff-Nanobänder (hellgraue Strukturen) in einer Feldeffekttransistor-Anordnung zwischen Graphen-Elektroden.
Quantenmechanik
Die Quantenmechanik beschreibt die Physik von Teilchen und Vorgängen in der Grössenordnung der Atome. Sie bildet die Grundlage für die Atom- und Elementarteilchenphysik und für die Quantenchemie und -technologie.
Nanometer
Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. In diesem Grössenbereich liegen die einzelnen Atome und hier werden Quanteneffekte sicht- und beeinflussbar.
Zustandsüberlagerung
In der Quantenwelt können sich bestimmte Zustände überlagern, beispielsweise jene von Elektronen-Spins oder Qubits. Dieser Effekt ist der Grund, warum Quantencomputer viele Rechenoperationen gleichzeitig durchführen können.
Quantenverschränkung
Bei diesem Quanteneffekt sind mehrere Teilchen miteinander gekoppelt, obwohl sie weit voneinander entfernt liegen und nicht physisch miteinander verbunden sind. Der Effekt lässt sich unter anderem für die Programmierung eines Quantencomputers nutzen.
Qubit
Ein Qubit ist die kleinste Informationseinheit eines Quantencomputers, analog zum Bit bei klassischen Computern.
Spin
Der Spin ist der Drehimpuls und das damit verbundene magnetische Moment von Teilchen, zum Beispiel von Elektronen. Er kann bei einem Elektron zwei Werte annehmen, Spin-up und Spin-down. Diese Eigenschaft lässt sich in der Quantentechnologie zur Informationsspeicherung und -verarbeitung nutzen.
Kohärenzzeit
Die Kohärenzzeit ist ein wichtiger Parameter in Quanteneffekten. Sie beschreibt, wie lange ein bestimmter Zustand anhält, bevor er wieder anfängt, sich in den unzähligen Möglichkeiten der Quantenwelt zu verlieren.
Kohlenstoff
Kohlenstoff ist eines der häufigsten und wichtigsten Elemente in Lebewesen und organischen Molekülen und kann von allen chemischen Elementen die grösste Vielfalt an Verbindungen eingehen.
Graphen
Graphen ist ein Material aus Kohlenstoff mit einer bienenwabenförmigen Struktur. Graphen ist ein zweidimensionales Material: Es besteht nur aus einer einzigen, genau ein Atom dünnen Schicht.
Graphen-Nanoband
Ein Graphen-Nanoband ist ein Streifen aus Graphen, der nur wenige Atome breit ist. Die Kanten der Bänder können so entworfen werden, dass sie interessante quantenmechanische Eigenschaften erhalten. Diese will das CarboQuant-Team analysieren und verfeinern.
Tunneleffekt
Quantenmechanische Teilchen wie Elektronen können den Abstand zwischen zwei feinen Metallteilen überbrücken, sofern dieser klein genug ist. Dieses Prinzip wird «Tunneleffekt» genannt und wird bei der Rastertunnelmikroskopie genutzt, um mittels solcher Elektronenflüsse atomare Strukturen abzubilden.
Text: Santina Russo
Fotos: Empa, Dübendorf, Mickael Perrin