Imaging spin entanglement with a scanning tunneling microscope

In der mikroskopischen Welt der Quantenmechanik verhalten sich Teilchen nicht immer wie unabhängige Individuen. Manchmal werden sie untrennbar miteinander verknüpft und teilen eine einzige Existenz, bei der der Zustand des einen den anderen augenblicklich beeinflusst, ungeachtet der Entfernung zwischen ihnen. Dieses Phänomen, bekannt als Verschränkung, ist der seltsame Klebstoff, der die komplexesten Verhaltensweisen der Materie zusammenhält. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Wegen, diese unsichtbare Verbindung sichtbar und messbar zu machen, insbesondere in Materialien, die als Bausteine für zukünftige Quantencomputer konzipiert sind. Die Herausforderung bestand darin, dass Verschränkung eine globale Eigenschaft ist; sie beschreibt die Beziehung zwischen vielen Teilen eines Systems, doch die Werkzeuge, mit denen wir Materie betrachten, sehen oft nur einen winzigen Punkt zur Zeit.

Ein Forschungsteam hat nun einen Weg gefunden, diese Lücke zu schließen, indem es ein Standardlaborinstrument in eine Kamera für Quantenverbindungen verwandelt. Sie konzentrierten sich auf künstliche Ketten magnetischer Atome, die auf einer Oberfläche aufgebaut sind, wobei die Atome miteinander interagieren wie winzige Magnete. Durch den Einsatz einer Technik namens inelastischer Elektronen-Tunnel-Spektroskopie, bei der Elektronen durch eine scharfe Metallspitze gesendet werden, um die Energie dieser Atome zu sondieren, entdeckten sie, dass die hinterlassenen Energiesignaturen einen verborgenen Code enthalten. Dieser Code offenbart nicht nur, wie die Atome angeordnet sind, sondern auch, wie tief sie mit ihren Nachbarn verschränkt sind. Die Forscher zeigten, dass sie durch eine sorgfältige Analyse der Form und Höhe der Energiesignale an verschiedenen Punkten entlang der Kette die Stärke der Quantenbindung zwischen jedem Paar von Atomen kartieren konnten, wodurch sie effektiv eine lokale Messung in ein globales Bild der Verschränkung verwandelten.

Die Geschichte beginnt mit einer einfachen Beobachtung darüber, wie diese Atomketten auf Energie reagieren. Wenn ein Elektron von der Spitze in die Kette tunnelt, kann es eine winzige Menge an Energie auf die Atome übertragen, was sie dazu bringt, in einen höheren Energiezustand zu springen. Dieser Sprung erzeugt eine deutliche Stufe im elektrischen Strom, ein Signal, das Wissenschaftler schon lange nutzen, um die Arten magnetischer Wechselwirkungen zu identifizieren. Die neue Arbeit geht jedoch weit darüber hinaus. Die Forscher erkannten, dass die Gesamtgröße dieser Stufen, wenn sie über einen Energiebereich gemessen werden, einen spezifischen mathematischen Wert besitzt, der direkt mit dem „One-Tangle“ korrespondiert. Dies ist ein Maß dafür, wie stark ein einzelnes Atom mit dem Rest der Kette verschränkt ist. Wenn ein Atom völlig unabhängig ist, ist dieser Wert Null; wenn es maximal verschränkt ist, erreicht der Wert sein Maximum. Durch die Messung der gesamten Energieschritte an jedem Ort konnte das Team diesen Wert berechnen und eine Karte erstellen, die zeigt, wo die Quantenbindung am stärksten ist und wo sie abnimmt.

Um diese Idee zu testen, wandte das Team ihre Methode auf experimentelle Daten an, die von realen Ketten aus Nanographen gesammelt wurden, einem Material aus Kohlenstoffatomen, die in spezifischen Mustern angeordnet sind. Diese Ketten fungieren wie eine Reihe interagierender Spins und folgen den Regeln der Quantenmagnetik. Die Forscher nahmen die rohen elektrischen Daten aus dem Mikroskop und verarbeiteten sie, um die Energiemomente zu extrahieren, bei denen es sich im Wesentlichen um gewichtete Mittelwerte des Signals handelt. Sie fanden heraus, dass die Ergebnisse den theoretischen Vorhersagen mit bemerkenswerter Präzision entsprachen. In Ketten aus vier, sechs und acht Atomen rekonstruierte die Methode das räumliche Muster der Verschränkung erfolgreich. Es zeigte sich, dass die Stärke der Bindung zwischen benachbarten Atomen nicht gleichmäßig war; stattdessen oszillierte sie und erzeugte ein Muster aus starken und schwachen Verbindungen, das dem erwarteten Verhalten dieser Quantensysteme entsprach. Dies bestätigte, dass die lokale Sonde tatsächlich die nicht-lokalen Verbindungen „sehen“ konnte, die die gesamte Kette zusammenbinden.

Die Forscher untersuchten auch, wie diese Technik komplexere Formen der Verschränkung aufdecken kann, die drei Atome gleichzeitig involvieren. In einer Gruppe von drei interagierenden Spins gibt es eine besondere Art der Verbindung, bei der alle drei so miteinander verknüpft sind, dass sie nicht auf einfache Paare reduziert werden kann. Das Team zeigte, dass die Intensität spezifischer Energieübergänge im Signal genutzt werden kann, um diese dreifache Verschränkung zu quantifizieren. Durch die Betrachtung des kombinierten Gewichts der Energieschritte konnten sie bestimmen, wie viel dieser echten tripartite Verschränkung im System existierte. Dies ist ein bedeutender Schritt nach vorn, da es über einfache Paare hinausgeht und dazu dient, das komplexere Geflecht von Quantenbeziehungen zu visualisieren, das für fortgeschrittene Quantencomputer notwendig sein könnte.

Ein entscheidender Teil der Entdeckung war das Verständnis, wie ein Werkzeug, das nur ein einzelnes Atom gleichzeitig berührt, über die Verbindungen zwischen entfernten Atomen Bescheid wissen kann. Die Forscher erklärten dies durch einen Vergleich mit der Funktionsweise eines digitalen Quantencomputers. In einem Quantenschaltkreis kann eine einzige Operation an einem Qubit eine Kaskade von Änderungen im gesamten System auslösen, weil die Qubits gemeinsam unter einem geteilten Satz von Regeln evolvieren. Ähnlich verhält es sich, wenn das Elektron auf ein Atom in der Kette trifft: Die Reaktion, die es erzeugt, wird durch den kollektiven Tanz aller Atome in der Kette geformt. Die Energieniveaus und die Stärke des Signals werden durch die gesamte Interaktionsgeschichte des Systems bestimmt. Daher ist die Information, die das lokale Mikroskop einsammelt, auch wenn die Spitze lokal ist, ein Abbild des Ganzen. Diese Einsicht versöhnt die lokale Natur der Messung mit der globalen Natur der Verschränkung und zeigt, dass das lokale Signal ein getreuer Berichter des kollektiven Zustands des Systems ist.

Die Implikationen dieser Arbeit sind tiefgreifend für das Feld der Quantenmaterialien. Sie etabliert eine neue Möglichkeit, Verschränkung zu detektieren und zu quantifizieren, ohne das System durch komplexe globale Messungen stören zu müssen. Die Methode funktioniert selbst dann, wenn das System bei einer endlichen Temperatur arbeitet, solange die thermische Energie niedrig genug ist, um die Quantensignale nicht zu überlagern. Die Forscher demonstrierten, dass man durch das bloße Betrachten der Energieschritte im Tunnelstrom die innere Energie des Systems, seine magnetische Wärmekapazität und die spezifische Stärke der Bindungen zwischen den Atomen extrahieren kann. Dies macht ein Standard-Spektroskopiewerkzeug zu einem leistungsstarken Diagnosetool für Quantenkorrelationen.

Letztendlich präsentiert die Arbeit einen klaren und praktischen Weg nach vorn für die Bildgebung der Quantenverschränkung. Sie zeigt, dass die seltsamen, unsichtbaren Verbindungen zwischen Atomen nicht nur theoretische Konzepte sind, sondern messbare physikalische Größen, die im Raum kartiert werden können. Durch die Verknüpfung des lokalen Aktes des Elektronentunnelns mit den globalen Eigenschaften der Spin-Kette haben die Forscher eine neue Linse geschaffen, durch die man die Quantenwelt betrachten kann. Dieser Ansatz ermöglicht es Wissenschaftlern, die Architektur der Verschränkung in manipulierten Materialien zu visualisieren, und bietet einen direkten Weg, die Qualität der Quantenzustände in Systemen zu verifizieren, die für zukünftige Technologien entwickelt wurden. Die Arbeit bestätigt, dass mit der richtigen Analyse die leisen Signale eines Rastertunnelmikroskops die laute Geschichte der Quantenverbindung erzählen können.