Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektronen "surfen" wie Fische auf Wellen

22.09.2011
RUB-Forscher berichten in "Nature"
RUB-Forscher in Nature: Transport einzelner Elektronen geglückt
Auf dem Weg zum komplexen Quantenbit und dem Computer von morgen
Ein entscheidender Schritt zu erheblich leistungsfähigeren Computern ist Physikern der RUB zusammen mit Forschern aus Grenoble und Tokyo gelungen: Aus dem Schwarm an Elektronen in elektrischen Leitern und Halbleitern konnten sie mit Hilfe einer Schallwelle ein einzelnes Elektron herauspicken und transportieren. Wie ein Fisch auf einer Welle „surft“ das Elektron von einem Quantenpunkt zum nächsten. Ein einzelnes Elektron auf diese Weise zu manipulieren erlaubt es in Zukunft, statt klassischer Bits („0“- und „1“-Zustände) auch die wesentlich komplexeren Quantenbits zu kombinieren. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der internationalen Top-Zeitschrift „Nature“.

3D-Grafik: Die Elektronen sind gelb, die Welle im Kristall ist rot eingezeichnet

Halbleiterphysik: Der Traum eines Anglers

Elektronen sind in elektrischen Leitern (Metallen) und Halbleitern wie Silizium (Si) oder Galliumarsenid (GaAs) frei beweglich wie Fische im Wasser. Allerdings können sie nicht von selbst „schwimmen“, sondern bewegen sich durch elektrische Spannungen (Felder). In einem Metall kommen sie als gewaltiger Fischschwarm vor, der das gesamte Wasservolumen ausfüllt. In Halbleitern sind diese Schwärme weniger dicht, die Abstände zwischen den Fischen sind viel größer. Der Schwarm lässt sich durch äußere elektrische Spannungen zu einer dünnen Schicht nahe der Oberfläche zusammenziehen. Dieser „Traum eines Anglers“ geht für Halbleiterphysiker jetzt in Erfüllung, möglich macht das die neue Methode, die das internationale Forscherteam entwickelt hat: Die Elektronen“fische“ liegen alle in einer Ebene und sind von der Oberfläche aus gut einzeln zugreifbar.

Einen aus der Masse fischen

„Allerdings gibt es keine ‚dicken‘ Fische, denn alle Elektronen sind genau gleich groß und sogar prinzipiell identisch“, erläutert Prof. Dr. Andreas Wieck, Physiker an der RUB. Das Verfahren der Forscher aus Deutschland, Frankreich und Japan ermöglicht es dennoch, aus dem Schwarm einzelne Elektronen „herauszufischen“, über eine bestimmte Strecke zu bewegen und sie dann am Zielpunkt wieder nachzuweisen. Die Strecke betrug im Experiment vier Mikrometer (μm) – das ist zwanzigmal länger als ein hochintegrierter Transistor. Der gezielte Transport einzelner Elektronen trotz der Masse des Schwarms gelingt, indem zuerst zwischen den Spitzen von vier Elektroden ein kleiner Schwarm zu einem nulldimensionalen Objekt, einem „Quantenpunkt“, eingepfercht wird. Dann senden die Wissenschaftler durch eine ineinandergreifende Doppelkamm-Elektrode, an die sie Radiofrequenz anlegen, eine Welle durch den Halbleiterkristall – der ist vergleichbar mit dem Wasser für die Fische. Das Verfahren funktioniert umgekehrt wie der Spannungsblitz in einem „Piezo“-Feuerzeug: Dort wird ein Kristall deformiert, um eine Spannung zu erzeugen; hier deformieren die Forscher den Kristall durch das Anlegen der Spannung, was bei regelmäßiger Wiederholung zu einer Welle führt.

Der Fisch surft auf der Welle

Diese Welle fegt in einer vorgefertigten Probe beispielsweise von links nach rechts mit Schallgeschwindigkeit durch den Mini-Schwarm im Quantenpunkt – im Kristall mit drei Kilometern pro Sekunde. In ihrer Höhe wird sie so eingestellt, dass sie nur genau einen „Fisch“ daraus mitnimmt, der dann auf der Welle im eindimensionalen Kanal „surft“. 4μm rechts davon entfernt befindet sich ein weiterer Quantenpunkt, in dem der „Fisch“ ankommt. Durch die Wiederholung von Wellenpaketen und Messungen konnten die Forscher eine gute Statistik aufbauen, um die Sicherheit des Verfahrens zu messen. Ein einzelnes Elektron mit der Welle herauszupicken, funktionierte in den ersten Experimenten mit einer Wahrscheinlichkeit von 96 Prozent; es wiederzufinden mit 92 Prozent.

Der Clou: Die Ausrichtung der Fische

Die Elektronen“fische“ sind zwar nicht unterscheidbar, können aber ausgerichtet werden, weil sie wie kleine Kreisel eine Drehrichtung („Spin“) haben. Das ist so, als ob man einen Fisch zum Beispiel mit „Kopf nach oben“ ausrichtet, ihn von der Welle mitreißen lässt und ihn im Ziel-Quantenpunkt auch mit „Kopf nach oben“ wiederfindet. Dadurch, dass die Überlebenszeit dieser Spin-Orientierung länger ist als die Surf-Zeit auf der Welle, geschieht das mit hoher Sicherheit. Auch die Quantenbits der Zukunft bestehen aus solchen spin-polarisierten Elektronen. Ihre Forschungsergebnisse erzielten die Wissenschaftler mit Proben, die am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum durch so genannte Molekularstrahl-Epitaxie hergestellt, in Tokyo strukturiert und schließlich in Grenoble vermessen wurden. Nicht nur die Proben, sondern auch die Konzepte kommen aus Bochum: Prof. Wieck hat bereits vor 21 Jahren die Vision eines Elektronen-Richtkopplers publiziert, den die Forschergruppe jetzt realisiert hat. Dazu erscheint in Kürze eine weitere Veröffentlichung.

Titelaufnahme

Sylvain Hermelin, Shintaro Takada, Michihisa Yamamoto, Seigo Tarucha, Andreas D. Wieck, Laurent Saminadayar, Christopher Bäuerle and Tristan Meunier: Electrons surfing on a sound wave as a platform for quantum optics with flying electrons. DOI: 10.1038/nature10416

Weitere Informationen

Prof. Dr. Andreas Wieck, Angewandte Festkörperphysik, Fakultät für Physik und Astronomie der RUB, Tel. 0234/32-26726, E-Mail: andreas.wieck@rub.de

Homepage: http://www.ruhr-uni-bochum.de/afp/

Redaktion: Jens Wylkop

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/afp/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Klein bestimmt über groß?
29.03.2017 | Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

nachricht Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet
29.03.2017 | Technische Universität Wien

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: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Organisch-anorganische Heterostrukturen mit programmierbaren elektronischen Eigenschaften

29.03.2017 | Energie und Elektrotechnik

Klein bestimmt über groß?

29.03.2017 | Physik Astronomie

OLED-Produktionsanlage aus einer Hand

29.03.2017 | Messenachrichten