Spin van elektronen in quantumdots bruikbaar als bit voor quantumcomputer?

TU Eindhoven onderzocht of de spin van elektronen in quantumdots is te manipuleren door de quantumdot in een nanodraad te onderwerpen aan trekkrachten, voor gebruik in quantumcomputers.

Trefwoorden: #ASML, #bit, #elektronen, #halfgeleider, #Hans Tholen, #magneetveld, #nanodeeltje, #nanodraad, #quantumcomputer, #quantumdot, #spin

Lees verder

research

( Foto: TU Eindhoven - Bart van Overbeeke )

ENGINEERINGNET.BE - Een quantumdot is een nanodeeltje van halfgeleidermateriaal dat zich in bepaalde opzichten gedraagt als een atoom. Zo kunnen quantumdots elektronen aan zich binden met een welbepaalde spin - een tweewaardige quantumeigenschap die lijkt op het draaien van een tol.

Die spin is te gebruiken om informatie in op te slaan en kan zo fungeren als bit voor een quantumcomputer. Het manipuleren van elektronspin kan in principe met een magneetveld, aldus promovendus Hans Tholen van TU Eindhoven.

“Het is echter ondoenlijk om individuele quantumdots te manipuleren met de benodigde hoge magneetvelden, met een sterkte tot wel 10 Tesla. Je hebt dan een joekel van een magneet nodig, terwijl de quantumdots heel klein zijn - zo’n tien nanometer.” Daarom is het praktisch onmogelijk om voor elke quantumdot een ‘eigen’ magneetveld aan te leggen.

Tholen ging daarom uit van min of meer het omgekeerde: hij hield het magneetveld constant en probeerde aan te passen hoe de quantumdot op de waarde van het magneetveld reageert.

Die interactie tussen de elektronspin en een magneetveld wordt onder meer bepaald door de specifieke eigenschappen van het halfgeleidermateriaal waarvan de quantumdot is gemaakt. Tholen: “Die kun je aanpassen door de quantumdot iets in te drukken of uit te rekken.”

Tholen onderzocht onder meer quantumdots in nanodraden. “Die quantumdots kun je maken door tijdens het groeiproces van een nanodraad een schijfje van een ander materiaal in te voegen."

“We waren op zoek naar een situatie waarin je de sterkte van de interactie tussen de elektronspin en het magneetveld van negatief naar positief kunt verschuiven door de trekkracht op de nanodraad te variëren. Dat is nodig om de elektronspins te manipuleren.”

Volgens Tholens berekeningen bleek de component van het magneetveld loodrecht op het oppervlak van de quantumdot, in de lengterichting van de nanodraad, te voldoen aan die vereiste.

Daarbij gaat het niet zozeer om de interactie met een elektron, maar met het ‘gat’ dat een elektron achterlaat nadat deze met behulp van wat laserlicht in een hogere energietoestand is gebracht. Zo’n gat is een quasideeltje dat zich gedraagt als een elektron met tegengestelde lading en spin.

Tholen nam vervolgens een nanodraad, die hij bevestigde op een piezo: een blokje materiaal dat krimpt of uitzet afhankelijk van de elektrische spanning waaraan het materiaal wordt blootgesteld.

“Op die manier konden we de nanodraad, en dus de quantumdot, ongeveer met een tiende uitrekken”, vertelt hij. “Dat deden we middenin een supergeleidende elektromagneet, gekoeld met vloeibaar helium in een twee meter hoge cryostaat.”

Het resultaat van dit getrek las hij aan de hand van laserlicht af dat hij van bovenaf door de centrale schacht van de elektromagneet stuurde. De uitkomsten van het experiment kwamen volgens Tholen overeen met de theoretische modellen.

Voordat deze methode is toe te passen in een quantumcomputer moet er nog veel gebeuren. “De hoeveelheid rek die ik heb toegepast was voldoende om aan te tonen dat het principe werkt, maar voor praktische toepassing heb je grotere krachten nodig.”

Hoe je die het best op zulke kleine schaal kunt opwekken, daar zullen anderen zich over moeten buigen. Tholen gaat nu aan de slag bij chipmachinemaker ASML.