Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf die Spitze getrieben – künstliche Atome für den Quantencomputer

30.06.2014

Ein internationales Forscherteam unter Leitung des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) hat identische Quantenpunkte aus einzelnen Atomen aufgebaut. Die perfekte Reproduzierbarkeit dieser mikroskopisch kleinen Objekte ist ein wichtiger Meilenstein für neue Technologien wie den Quantencomputer und die Nano-Optik. Die Ergebnisse des Forscherteams sind in der Juli-Ausgabe der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Quantenpunkte werden oft als „künstliche Atome“ bezeichnet, da sie – genauso wie reale Atome – Elektronen in quantisierte Zustände mit diskreten Energien zwingen. Diese Analogie trifft allerdings nur bedingt zu: Während reale Atome identisch sind, bestehen herkömmliche Quantenpunkte aus Hunderten bis zu Tausenden von Atomen, was zu unvermeidlichen Schwankungen in ihrer Größe und Form und damit ihren physikalischen Eigenschaften führt.


Quantenpunkt aus 22 Atomen in sechs verschiedenen Quantenzuständen. | Abb. PDI


Drei Quantenpunkte koppeln in definierter Weise miteinander. Damit zeigen sie ein Verhalten, wie es auch in realen Molekülen vorliegt. Abb.: PDI

PDI-Physiker Stefan Fölsch, Leiter des Teams, erklärt: „Für Anwendungen wie zum Beispiel den Quantencomputer ist es erforderlich, die Größe von Quantenpunkten – und damit deren Quantenzustand – genau kontrollieren zu können.“ Die störenden Einflüsse konnten bislang durch Kunstgriffe wie das Anlegen äußerer elektrischer Spannungen teilweise ausgeglichen werden. Nun hat das Forscher-Team aus Berlin, Japan und den USA das ambitioniertere Ziel, Quantenpunkte mit perfekter Genauigkeit herzustellen, erstmals erreicht.

Um einen atomar präzisen Quantenpunkt herzustellen, muss jedes seiner Atome exakt und fehlerfrei positioniert sein. Die Forscher setzten dafür die Quantenpunkte Atom für Atom mit Hilfe einer „atomaren Pinzette“ auf einer Unterlage zusammen. Bei der Unterlage handelt es sich um die Oberfläche eines Indium-Arsenid-Halbleiterkristalls. Kiyoshi Kanisawa, Physiker an den NTT Basic Research Laboratories in  Japan, erläutert die besondere Struktur: „Der Kristall besitzt in der obersten Schicht ein regelmäßiges Muster von Indium-Leerstellen – dadurch sind die möglichen Positionen der zu platzierenden Atome vorgegeben. Gleichzeitig liegen auf der obersten Schicht zusätzliche, positiv geladene, Indiumatome in ungeordneter Form vor.“

Ein Rastertunnelmikroskop dient den Wissenschaftlern normalerweise zum Abbilden von Oberflächen: Mit der Spitze tastet es die Ladungsdichteverteilung der Oberfläche ab, daraus lässt sich auf die Position der Atome zurückschließen. Die Physiker des PDI haben die Spitze nun nicht nur zum Abbilden, sondern zum Manipulieren einzelner Atome verwendet. Wie mit einer Pinzette haben sie jeweils ein Indiumatom auf die Spitze gepickt und an einer anderen Stelle positioniert. Das Team setzte Quantenpunkte in Form von linearen Ketten aus sechs bis 25 Indiumatomen zusammen.

Steve Erwin, Physiker aus Washington D.C. und Theoretiker des Teams, erklärt: „Die positiv geladenen Indiumatome bilden einen Quantenpunkt aus, indem sie Elektronen binden und quantisieren, die normalerweise der Oberfläche des Indium-Arsenid-Kristalls zuzuordnen sind.“

Dass die Elektronen quantisiert werden hängt damit zusammen, dass sie durch die positiv geladene Kette von Indiumatomen räumlich eingesperrt sind. Und weil sich das Ganze in so winzigen Dimensionen abspielt, gelten hier die Gesetze der Quantenphysik. Die räumliche Verteilung der Elektronen spiegelt deren quantenmechanische Wellenfunktion wider, „gleichsam einer schwingenden Saite entlang der Atomkette“, so PDI-Physiker Fölsch. Das Beispiel in der Abbildung zeigt sechs einzelne Quantenzustände, die – um im Bild der schwingenden Saite zu bleiben – dem Grundton (ganz unten) und den darauf folgenden Obertönen entsprechen.

Da die möglichen Positionen der Indiumatome durch das regelmäßige Gitter der Leerstellen vorgegeben sind, ist jeder Quantenpunkt aus einer festen Anzahl linear angeordneter Atome praktisch identisch, ohne jegliche Schwankung in seiner Größe oder Form.

Für Anwendungen in der Quanteninformatik müssen mehrere solcher Quantenpunkte miteinander gekoppelt werden. Die PDI-Forscher haben dafür dreifache Quantenpunkte aus je drei Ketten angeordnet. Diese koppeln in definierter Weise miteinander und es zeigt sich ein Verhalten, wie es auch in realen Molekülen vorliegt. „Mit diesen genau definierten Quantenzuständen kommen wir dem Quantencomputer einen weiteren Schritt näher“, betont Stefan Fölsch. 

Publikation

S. Fölsch1, J. Martínez-Blanco1, J. Yang1, K. Kanisawa2, S. C. Erwin3, Quantum dots with single-atom precision, Nature Nanotechnology, vol. 9, No. 7 (2014) 

1Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik

2NTT Basic Research Laboratories, Japan

3 Naval Research Laboratory, U.S.A. 

DOI: 10.1038/NNANO.2014.129

Kontakt

Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI)

Dr. Stefan Fölsch

Tel.:  +49 (0)30 20377 459

E-Mail: foelsch@pdi-berlin.de

Gesine Wiemer | Forschungsverbund Berlin
Weitere Informationen:
http://www.fv-berlin.de
http://www.fv-berlin.de/news/auf-die-spitze-getrieben-2013-kuenstliche-atome-fuer-den-quantencomputer

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Flashmob der Moleküle
19.01.2017 | Technische Universität Wien

nachricht Verkehrsstau im Nichts
19.01.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise