Einzelne Ionen in Festkörper platziert

Schematische Darstellung der Ionenfalle (links) als Quelle eines Ionenstrahls, um im Kristall (rechts) eine gewünschte Anordnung der Farbzentren einzuschreiben. Abb./©: QUANTUM, Institut für Physik, JGU

Dotierte Halbleiter sind die Grundlage jeder modernen Elektronik. Um elektronische Bauelemente herzustellen, werden hochreine Siliziumkristalle mit Dotierungsatomen wie zum Beispiel Aluminium oder Phosphor versetzt. Dadurch kann die Leitfähigkeit maßgeschneidert werden.

In modernen, auf wenige Nanometer miniaturisierten elektronischen Computerprozessoren sind nur noch die Elektronen von weniger als zehn Dotieratomen für die Schaltprozesse zuständig. Noch einen Schritt weiter gehen Quantenbauelemente, bei denen nur einzelne Dotieratome in einem hochreinen Kristall für neuartige Quantencomputer oder Quantensimulatoren genutzt werden sollen.

Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) um Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler haben eine Methode entwickelt, um genau abgezählte, einzelne Dotierungsionen in einen Festkörperkristall zu platzieren. In den Experimenten wurde das Seltene-Erden-Element Praseodym in einen Yttrium-Aluminium-Granatkristall eingeschossen.

Diese Kristalle wurden anschließend in Zusammenarbeit mit Forschern der Gruppe um Prof. Dr. Jörg Wrachtrup an der Universität Stuttgart in einem hochauflösenden konfokalen Mikroskop untersucht.

Dabei konnte eine Positionierungsgenauigkeit von 35 Nanometern ermittelt werden. Diese Genauigkeit erlaubt es im Prinzip schon jetzt, Anordnungen von Dotierungsionen für Bauelemente eines zukünftigen Quantenprozessors zu schreiben.

Die Ergebnisse wurden als Highlight im aktuellen Band des internationalen Journals Physical Review Letters publiziert und stellen eine wichtige Innovation mit weitem Anwendungspotenzial dar, denn die Methode kann auf andere Kristalle und Dotierungsatome erweitert werden.

Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_dotieratome.jpg
Schematische Darstellung der Ionenfalle (links) als Quelle eines Ionenstrahls, um im Kristall (rechts) eine gewünschte Anordnung der Farbzentren einzuschreiben.
Abb./©: QUANTUM, Institut für Physik, JGU

Weiterführende Links:
https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.106802 – Übersichtsbeitrag im Onlinemagazin Physics
https://www.quantenbit.physik.uni-mainz.de/ – Quantenbit AG an der JGU

Lesen Sie mehr:
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/9312_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Wärmekraftmaschinen in der Mikrowelt“ (23.08.2019)
http://www.uni-mainz.de/presse/75073.php – Pressemitteilung „Physiker bauen kleinste Wärmekraftmaschine der Welt“ (15.04.2016)
http://www.uni-mainz.de/presse/59213.php – Pressemitteilung „Mainzer Physiker bauen ersten Prototyp einer Ein-Ionen-Wärmekraftmaschine“ (23.01.2014)

Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-26234
E-Mail: fsk@uni-mainz.de
https://www.quantenbit.physik.uni-mainz.de/fsk/

Karin Groot-Berning et al.
Deterministic Single-Ion Implantation of Rare-Earth Ions for Nanometer-Resolution Color-Center Generation
Physical Review Letters, 4. September 2019
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.106802
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.106802

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Petra Giegerich idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Informationen:

http://www.uni-mainz.de/

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