08.03.2011

Ruhr-Universität Bochum

„Künstliche Atome“ direkt elektronisch auslesen

Bochumer Physiker bauen 0-dimensionale Systeme
Nature Communications: Quantenpunkte be- und entladen


Für die Informationsverarbeitung der Zukunft suchen Forscher nach Möglichkeiten, neben Strömen von Elektronen auch deren Drehung zu nutzen. In Kombination könnten diese Eigenschaften wesentlich mehr Informationen speichern als nur „null“ und „eins“. Da das bei einzelnen Atomen schwierig ist, bauen RUB-Physiker um Prof. Dr. Andreas Wieck „künstliche Atome“ in Festkörper ein.

Unter seiner Beteiligung ist es einem Forscherteam aus Duisburg-Essen, Hamburg und Bochum nun gelungen, Zustände solcher künstlichen Atome direkt elektronisch auszulesen – mit gängigen Schnittstellen zu klassischen Computern. Das ist ein großer Schritt hin zur Anwendbarkeit solcher Systeme. Sie berichten in Nature Communications.

Im Prinzip ist die Nutzung des Spins von Elektronen an einzelnen Atomen möglich, aber die Kleinheit der Signale und die Schwierigkeit, einzelne Atome definiert zu halten, beschränkt diese Technik auf hochspezialisierte Labors. Es bedarf eines ultrahohen Vakuums und aufwändiger Lasertechnik. „Wesentlich eleganter ist es, atomähnliche Systeme in Festkörper einzubauen“, sagt Prof. Wieck.

Hier hilft die Quantenmechanik: Für Standard-Elektronendichten in Halbleitern beträgt die Wellenlänge von Elektronen (und Löchern) einige 10 Nanometer (nm), was etwa einen Abstand von 100 Atomen bedeutet. Man braucht also nicht einzelne Atome zu isolieren oder einzubringen. Es genügt, Bereiche zu definieren, die in jeder Richtung etwa 100 Atome Ausdehnung haben, also etwa 1003 = eine Million Atome umfassen. „Aber selbst das ist nicht ganz einfach, denn die heutige Hochintegration beherrscht ‚erst‘ rund 50nm Auflösung“, erklärt Prof. Wieck.

Hier hilft ein Trick, der mit dem Atomabstand im Kristallgitter zu tun hat: Elektronen halten sich lieber in Indium-Arsenid (InAs) auf als in Gallium-Arsenid (GaAs). Da Indium ein wesentlich größeres Atom als Gallium ist, muss man sich eine Schichtung einer InAs-Schicht auf GaAs etwa so vorstellen, wie wenn man Orangen auf Mandarinen schichtet: Die erste Orangen (InAs-) Schicht wird aufgelegt, indem die Orangen auf Mandarinen (GaAs-) Breite „gequetscht“ werden, was zu einer „verspannten“ Schicht führt. Auch die zweite Orangen (InAs-) Lage muss verspannt werden, aber wenn man mehrere solcher Lagen übereinander schichtet, „vergisst“ das Orangen-System seine Mandarinen-Unterlagen-Ordnung.

Die Verspannung „relaxiert“, das heißt sie wirft Fehlstellen und Lücken und türmt die Orangen zu einzelnen Haufen auf. Solche InAs-Haufen – InAs-Quantenpunkte oder „QDs“ (nach der englischen Bezeichnung Quantum Dots) genannt – wachsen also selbstorganisiert. Sie sind einige 10nm breit und etwa 5nm hoch, und damit für den quantenmechanischen Ladungsträgereinschluss ideal geeignet. Es passt gerade eine Wellenlänge der Elektronen bzw. Elektronenlöcher hinein. Die QDs zwingen die Elektronen in quantisierte Energien, womit sie als „künstliche Atome“ für Informations-Verarbeitungs-Zwecke einsetzbar sind.

Die Bochumer Forscher stellen schon seit einigen Jahren die homogensten QD-„Ensembles“ her: Alle erzeugten QDs haben praktisch die gleiche Größe und ähneln als unten abgeflachte Linse einem „Hamburger“-Oberteil, sind aber rund 10 Millionen mal kleiner. „In jeden QD eines ca. eine Million umfassenden QD-Ensembles füllen wir definiert einige wenige Elektronen ein, wobei wir mit den Leichtesten beginnen, Wasserstoff, Helium und Lithium“, erläutert Prof. Wieck.

Bisher wurden die Energieniveaus, die diese Elektronen besetzen, nur mit optischen Methoden ausgelesen. „Das ist zwar sehr elegant, bedarf aber eines großen Messaufwands mit spezialisierten Lasern, Detektoren und Spektralapparaten“, so Wieck. In der aktuellen Arbeit beschritten die Forscher einen gänzlich anderen Weg: Sie präparierten die QDs auf einer leitenden Elektronenschicht und maßen nur den elektrischen Widerstand dieser Schicht, der sich mit der Elektronenbesetzung der QDs ändert. „Dadurch haben wir einen direkten, elektronischen Zugriff auf die besetzten Zustände in den QDs und können diese mit gängigen Interfaces zu klassischen Computern auslesen.“

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