De natuurkundigen aan het Ruhr-Universität Bochum (RUB) in samenwerking met onderzoekers uit Grenoble en Tokyo is het gelukt om een cruciale stap te zetten richting significant krachtigere computers. Uit een zwerm elektronen in elektrische geleiders en halfgeleiders konden zij met behulp van een geluidsgolf een apart elektron losmaken en transporteren. Zoals een vis op een golf surft, gaat het elektron van het ene quantumpunt naar het volgende. Een apart elektron op deze manier manipuleren maakt het in de toekomst mogelijk om in plaats van klassieke bits ook meer complexe kwantum bits te combineren. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in “Nature“.
Elektronen bewegen zich vrij in elektrische geleiders (metalen) en halfgeleiders zoals silicium (Si) of galliumarsenide (GaAs) zoals als vissen in het water. Maar ze kunnen niet vanzelf “zwemmen” maar bewegen onder invloed van elektrische spanningen (velden). In een metaal kondigde vooral de geweldig dichte zwerm vissen in het hele water volume.
In halfgeleiders zijn deze zwermen minder dicht, de afstanden tussen de vissen zijn veel groter. De zwerm kan onder invloed van uitwendige elektrische spanningen worden samengevoegd tot een dunne laag in de buurt van de oppervlakte. Deze “droom van een visser” gaat nu in vervulling voor de halfgeleiders fysici. Dit wordt mogelijk gemaakt door de nieuwe methode die het internationaal onderzoeksteam heeft ontwikkeld: de elektronen (vissen) liggen allemaal in één vlak en zijn vanaf het oppervlak goed apart te grijpen.
Eentje uit de massa vissen
“Maar er bestaan echter geen dikke vissen want alle elektronen zijn precies even groot en in principe zelfs identiek”, verduidelijkt prof. dr. Andreas Wieck, natuurkundige bij het RUB. Het proces van de onderzoekers uit Duitsland, Frankrijk en Japan maakt het toch mogelijk om uit een zwerm aparte elektronen te vissen, zijn over een bepaalde afstand te verplaatsen en ze dan bij het eindpunt weer aan te tonen. Bij het experiment bedroeg de afstand 4 µm, dat is 20 keer langer dan een sterk geïntegreerde transistor.
Het doelbewuste transport van aparte elektronen, ondanks de massa van de zwerm, lukt, als eerste tussen de punten van vier elektroden eerst een kleine zwerm tot een 0-dimensionaal object, een kwantum dot, wordt ingeperkt. Daarna sturen de wetenschappers met behulp van een elkaar grijpende dubbele kam-elektrode, die aangesloten zit op een radiofrequentie, een golf door het halfgeleider kristal die vergelijkbaar is met water voor de vissen.
3D-afbeelding: De elektronen zijn geel, de golven in het kristal zijn rood gekleurd (afbeelding: RUB)
Dit proces functioneert als het omgekeerde van de spanningsvonk in een piëzo-aansteker; daar worden kristal gedeformeerd om een spanning op te wekken, hier vervormen de onderzoekers het kristal door het aansluiten op de spanning, waarbij er regelmatig herhaling tot een golf leidt.
De vis surft op de golf
Deze golf loopt in een voorbereide probe van links naar rechts met geluidssnelheid door de mini zwerm in het kwantum dot, in het kristal met 3 km/s. De golfhoogte is zo ingesteld, dat precies een “vis” uit wordt meegenomen, die dan op de golf in 11 dimensionaal kanaal “surft”. Op een afstand van 4 µm naar rechts bevindt zich in volgend kwantum dot, waar de “vis” aankomt.
Door de herhaling van de golfpakketten en metingen konden de onderzoekers hun statistieken opbouwen om de betrouwbaarheid van het proces te meten. Om er met de golf een apart elektron uit te pikken lukte in de eerste experimenten met de waarschijnlijkheid van 96%, om het terug te vinden met 92%.
De truc: de oriëntatie van de vissen
De elektronen“vissen“ zijn weliswaar niet van elkaar te onderscheiden maar kunnen wel worden gericht, omdat ze een kleine draaibeweging (spin) hebben. En het is alsof men een vis voorbeeld met de kop naar boven terugvindt. Doordat de levenscyclus van deze spin boeiend dat zich langer is dan de “surf”tijd op de golf, gebeurt dit met een grotere betrouwbaarheid. Ook de kwantum bits van de toekomst bestaan uit zulke spin gepolariseerde elektronen.
Schematisch overzicht van de experimentele opstelling met het beeld van een probe met de elektronenmicroscoop (afbeelding: RUB)
De wetenschappers verkregen hun resultaten met proben, die werd vervaardigd bij deze Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum door middel van zogenaamde moleculaire bundelepitaxie, gestructureerd in Tokyo en uiteindelijk gemeten in Grenoble. Niet alleen de proben maar ook de concepten komen uit Bochum: prof. Wieck had al 21 jaar geleden de visie van een elektronen-richtkoppeling gepubliceerd, die nu door de onderzoeksgroep werd gerealiseerd.
Op korte termijn verschijnt een volgende publicatie.
