Neue Quantenpunkte lassen Quantencomputer effizienter rechnen

| Redakteur: Julia Schmidt

Darstellung der Nanostruktur der neuartigen Quantenpunkte. Die Wissenschaftler kombinierten dafür jeweils eine ultradünne Schicht Graphen und Bornitrid
Darstellung der Nanostruktur der neuartigen Quantenpunkte. Die Wissenschaftler kombinierten dafür jeweils eine ultradünne Schicht Graphen und Bornitrid (Bild: TU Wien)

Einem internationalen Forscherteam der RWTH Aachen, der TU Wien und der University of Manchester ist es gelungen, einen neuen Typ von Quantenpunkten zu entwickeln, der eine wesentlich genauere und breitere Abstimmung der Energieniveaus eingegrenzter Elektronen ermöglicht als bisher.

RWTH-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter Leitung von Professor Markus Morgenstern, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik (Festkörperphysik), haben gemeinsam mit Kollegen der Technischen Universität Wien und der University of Manchester neue Möglichkeiten für die Quanten-Elektronik entdeckt. Die Physiker haben die beiden ultradünnen Materialschichten Graphen und Bornitrid kombiniert und konnten mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops Schaltmechanismen für einzelne Elektronen nachweisen.

Dem Team ist es damit erstmals gelungen, die Einstellbarkeit des sogenannten Valley-Freiheitsgrades zu zeigen. Diese Entdeckung könnte langfristig für die Informationsverarbeitung nützlich sein. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt im Fachjournal „Nature Nanotechnology“ unter dem Titel „Large tunable valley splitting in edge-free graphene quantum dots on boron nitride“ publiziert.

Graphen ist eine Schicht aus Kohlenstoffatomen, die nur ein Atom dick ist. Sperrt man einzelne Elektronen des Graphens mit Hilfe elektrischer Felder in winzige Bereiche des Graphens ein, lassen sie sich sehr gut kontrollieren. Wird ein solches Elektron um wenige Nanometer verschoben, ändert sich sein Charakter. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sprechen hier von der Änderung des Valley-Freiheitsgrades, der den Elektronencharakter quantenmechanisch beschreibt. Dieser lässt genau zwei Einstellmöglichkeiten für das Elektron zu, wie ein klassischer Schalter – an oder aus.

Der Zustand eines Elektron kann kontrolliert umgeschaltet werden

Für Systeme in der Natur, etwa Atome, ist dies schwer zu realisieren. Die Energien der Atomzustände und damit ihre Unterschiede sind festgelegt. In synthetischen Nanostrukturen, die auf die Begrenzung von Elektronen ausgerichtet sind, ist das Tunen möglich. Solche Strukturen werden auch Quantenpunkte oder „künstliche Atome“ genannt.

In reinem Graphen ist der Valley-Freiheitsgrad unbestimmt, das Elektron ist also gleichzeitig „an“ und „aus“. Liegt das Graphen jedoch auf einer Schicht aus Bornitrid, die ebenfalls nur ein Atom dick ist, so wird eine der beiden Möglichkeiten für das Elektron günstiger. Zusätzlich hängt die günstigere Möglichkeit von der Position des Elektrons ab, so dass das Elektron durch minimale Bewegung zwischen den Möglichkeiten hin- und hergeschaltet werden kann.

„Das Elektron kann also kontrolliert in einen Zustand oder in eine Überlagerung beider Zustände versetzt werden. Stellt man gezielt die Überlagerung ein, kann gleichzeitig mit beiden Möglichkeiten gerechnet werden. Das gibt bei einem Elektron zwei Möglichkeiten, bei zwei Elektronen schon vier mögliche Kombinationen, bei drei Elektronen acht mögliche Kombinationen und so weiter. So entsteht ein erheblicher Effizienzgewinn beim Rechnen in so genannten Quantencomputern“, beschreibt Morgenstern.

Die Schaltbarkeit des Valley-Freiheitsgrades muss zunächst einer Reihe weiterer Tests unterzogen werden, bevor über eine Nutzung nachgedacht werden kann. Zunächst wollen die Wissenschaftler nachweisen, dass der eingestellte Überlagerungszustand auf der Nanosekunden-Skala zwischen den beiden Einstellungen hin- und herschwingt. Anschließend soll die gleichzeitige Schaltbarkeit mehrerer einzeln kontrollierter Elektronen gezeigt werden. „Gelingt dies mit wettbewerbsfähigen Ergebnissen, so kann der neu gefundene Freiheitsgrad für bitartige Anwendungen genutzt werden“, so Morgenstern.

Zweidimensionale Materialien für die Anwendung

Die Forschungen sind in das Großprojekt „Graphene Flagship“ eingebettet, das von der Europäischen Union mit etwa 1 Milliarde Euro finanziert wird. Ziel ist es, Europa an der Kommerzialisierung von Graphen und anderen zweidimensionalen Materialien signifikant zu beteiligen. Der größte Standort des Flagships in Deutschland liegt an der RWTH Aachen, hier wurden die Aktivitäten im kürzlich gegründeten „Aachen Graphene & 2D Materials Center“ zusammengefasst. Ziel des Centers ist es, die Kombination von hochwertigen 2D-Materialien zu nutzen, um neue Anwendungen aufzuzeigen.

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