Laureate 2010

Schläfli Maletinsky 2010
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Schläfli Maletinsky 2010
Schläfli Maletinsky 2010

Patrick Maletinsky wurde 1979 in Baden, AG geboren und wuchs in der Stadt Schaffhausen auf. Sein Physikstudium absolvierte er an der ETH Zürich mit Aufenthalten an der ENS Paris und am JILA in Boulder, Colorado. Für seine Doktorarbeit kehrte er an die ETH Zürich zurück, wo er unter der Leitung von Professor Atac Imamoglu die Wechselwirkung zwischen Elektronen- und Kern-Spins in nulldimensionalen Festkörpersystemen (sog. “Quantenpunkten”) experimentell untersuchte. Seit Ende 2008 arbeitet Patrick Maletinsky mit Unterstützung des schweizerischen Nationalfonds als Postdoc an der Harvard Universität. Hier entwickelt er in der Forschungsgruppe von Amir Yacoby neuartige, hochsensitive Methoden zur Magnetfeldmessung auf kleinsten Längenskalen.

Elektron-Kernspin-Wechselwirkung in einzelnen Quantenpunkten

Spin-Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Kernen in Halbleitern und Metallen faszinieren Physiker seit Jahrzehnten. Die Kopplung dieser zwei Spinsysteme führt oft zu einer komplexen Dynamik von Messgrössen, und ist daher von fundamentalem Interesse im Verständnis der entsprechenden Festkörper.

Patrick Maletinskys Doktorarbeit befasst sich mit der Frage, wie sich das bisher etablierte Wissen über gekoppelte, makroskopische Elektron-Kernspinsysteme auf bis anhin wenig untersuchte, kleinere Systeme und im speziellen auf Einzelelektronensysteme übertragen lässt. Quantenpunkte – winzige Fallen für einzelne Elektronen – sind ideale Kandidaten um diese Problemstellung zu erforschen. Ein zentrales Resultat seiner Doktorarbeit ist die Erkenntnis, dass eine Reduktion der Systemgrösse eine verstärkte Kopplung von Elektronen- und Kernspins zur Folge haben kann, was zu ausgeprägten Nichtlinearitäten in der Spindynamik von Quantenpunkten führt. Des weiteren ermöglichen Quantenpunkte eine einzigartige Kontrolle über wichtige Parameter der Kernspindynamik. So konnte insbesondere gezeigt werden, dass die Kernspinrelaxationszeit in Quantenpunkten durch äussere Parameter über mehrere Grössenordnungen – von Millisekunden zu Stunden – abgestimmt werden kann, was weitere grundlegende Studien zur Physik der Kernspinsysteme in Quantenpunkten ermöglicht hat.

Die genannten Resultate liefern weiter einen Beitrag zur möglichem Anwendung von Elektronenspins als Quanten-Informationsspeicher in Festkörpern. Dieser Ansatz zur Realisierung eines Quantenrechners leidet unter der Elektron-Kernspin-Wechselwirkung, welche die auf einem Elektron gespeicherte Quanteninformation auslöschen kann. Eine vertiefte Kenntnis des Verhaltens von Kernspins in Quantenpunkten könnte in Zukunft helfen, diese Limitierung zu umgehen.

Abbildung: Ladungsabhängige Kernspinrelaxation in einem einzelnen Quantenpunkt: Eine Gatespannung definiert den Ladungszustand des Quantenpunktes (s. Beschriftung in der Figur) und beeinflusst damit die Kernspindynamik stark. Ein ungepaartes Elektron führt zu rascher, stark nichtlinearer Kernspinrelaxation auf Millisekunden-Zeitskalen. In einem leeren oder zweifach besetzten Quantenpunkt hingegen relaxieren die Kernspins nur auf Zeitskalen von Stunden.

Schläfli 2010 Maletinsky recherche
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Die Jury des Prix A.F. Schläfli 2010 bestand aus folgenden Mitgliedern: Prof. Hans-Rudolf Ott, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (Vorsitzender der Jury); Prof. Gianni Blatter, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich; Prof. Tobias Kippenberg, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne; Prof. Vladimir Gritsver, Universität Fribourg; Prof. Nicolas Gisin, Universität Genf; Prof. Christian Schönenberger, Universität Basel. Das Thema 2010 war «Quantum Science and Technology».