03.03.2011

Universität Duisburg-Essen

Neue Wege in der Informationstechnologie

Rechnen mit “künstlichen Atomen“? Wissenschaftler an der Universität Duisburg-Essen haben eine neue Methode entwickelt, einzelne Elektronen in Halbleiter-Nanostrukturen gezielt zu manipulieren. Zusammen mit Kollegen an der Universität Hamburg und der Ruhr-Universität Bochum ist ihnen damit ein wichtiger Schritt zur Realisierung völlig neuartiger Computerkonzepte gelungen. Darüber berichtet die Zeitschrift Nature Communications in ihrer aktuellen Ausgabe.

Die Elektronen befinden sich in so genannten Quantenpunkten. Das sind kleine Inseln aus einem Halbleitermaterial, eingebettet in die Kristallmatrix eines anderen Halbleiters. Genau wie in der Atomphysik ordnen sich die Elektronen in den Quantenpunkten auf verschiedenen Energieniveaus oder Schalen an.

„Mit der neuen Technik können wir die Energieniveaus nacheinander mit Elektronen befüllen. Normalerweise geschieht das von unten nach oben, also von kleinen zu großen Energien. Jetzt können wir aber auch Elektronen direkt in höhere Schalen platzieren, so dass darunter noch Niveaus frei bleiben“, erläutert Projektleiter Prof. Dr. Axel Lorke. In diesem „Nicht-Gleichgewichtszustand“ kann das so angeregte künstliche Atom wieder in den Grundzustand zurück fallen. Wie schnell dies geschieht, darüber bestimmt der so genannte Spin der Elektronen, das quantenmechanische Äquivalent zum Drall, wie man ihn auch von rotierenden Tennisbällen kennt.

Den Wissenschaftlern ist es nun gelungen, zwei solcher Zustände zu präparieren: Zum einen den, bei dem die Spins parallel stehen (beide Elektronen haben den gleichen Drehsinn) zum anderen den, bei dem sie einen entgegengesetzten Spin haben.

Es geht dabei um bessere Lösungen für die Informationstechnologie. Bisher dient in Computerchips die Ladung der Elektronen als Informationsträger. Der Spin bietet neue Chancen: „Die Quanteninformationsverarbeitung könnte künftig Probleme knacken, an denen heutige Computer scheitern. Beispielsweise für Anwendungen in der Kryptographie, also der Verschlüsselungstechnologie beim Onlinebanking, oder für schnellere Suchmaschinen im Internet“, so Professor Lorke.

Für die Experimente sind Kristalle höchster Güte nötig, um die Halbleiterinseln ohne Defekte und mit einer sehr schmalen Größenverteilung herzustellen. Auf dem Gebiet gehören die Kollegen der Ruhr-Universität Bochum zur Weltspitze. Sie sind ebenso an dem Projekt beteiligt wie Wissenschaftler der Universität Hamburg, deren detaillierte Modellrechnungen die Identifizierung der verschiedenen Spinzustände ermöglichen.

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