Durchbruch in der Nanotechnologie: Strukturierungsverfahren zur Herstellung neuartiger Bauelemente mit einzelnen Atomen

Schon die alten Griechen ahnten es, dass Atome die kleinsten Bausteine der Materie sind. Erst mit modernsten Mikroskopen lassen sich Kristalle und Oberflächen so genau untersuchen, dass man einzelne Atome abbilden kann.

Will man einzelne Atome auf solchen Oberflächen platzieren oder gezielt in einen Festkörperkristall einbringen, dann gibt es bisher in der Nanotechnologie keine universell funktionierende Methode. Für zukünftige Quantentechnologien, wie z.B. einen Festkörper-Quantencomputer, brauchen wir aber genau solch ein Verfahren, bei dem eine exakt vordefinierte Anzahl einzelner Atome in einem Kristall einzubringen ist mit einer räumlichen Präzision von nur einem Nanometer und das ist 100000 x kleiner wie die Dicke eines Haars.

Einem Forscherteam aus dem Institut für Quanteninformationsverarbeitung an der Universität Ulm ist es nun in Zusammenarbeit mit RUBION, der zentralen Einheit für Ionenstrahlen und Radionuklide an der Ruhr-Universität Bochum, zum ersten Mal gelungen, eine neue Art von Ionenquelle zu entwickeln, welche auf einer Ionenfalle basiert. Die Grundlage für diese Forschungen legte daher Wolfgang Paul (Nobelpreis für Physik 1989) mit der Erfindung einer Falle für einzelne geladene Atome, die Ionen.

„Zunächst werden einzelne positiv geladene Ionen in einer speziellen Paulfalle gefangen und mittels Laserstrahlen auf eine Temperatur von 1/1000 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. In einem atomaren Verschiebebahnhof können die Atome dann gewogen, identifiziert und sortiert werden“ erklärt der Doktorand Wolfgang Schnitzler. „Anschließend werden die geladenen Atome einzeln mit speziell geformten Kraftfeldern beschleunigt und zielgenau in ein beliebiges Substrat geschossen.“, erläutert Robert Fickler, der im Rahmen seiner Diplomarbeit ein auf die Ionenquelle optimiertes Abbildungssystem entwickelt hat.

Dr. Kilian Singer, Projektleiter am Institut in Ulm, erklärt: „Mit unseren Experimenten haben wir gezeigt, dass diese Methode tatsächlich exakt ein Atom auf Kommando liefert. Unser nächstes Ziel ist es, die Ionen bis in den absoluten quantenmechanischen Grundzustand zu kühlen, dann ist unsere Auflösung prinzipiell nur noch durch die Unschärferelation von Werner Heisenberg (Nobelpreis für Physik 1932) begrenzt. Die speziellen Eigenschaften unserer Quelle erlauben es uns, neue Ansätze der Ionenoptik umzusetzen, um Abbildungsfehler zu vermeiden und ein beliebiges Atom auf 1nm genau zu implantieren.“. Die Anwendungen der Methode sind noch nicht absehbar. Zunächst soll diese Anlage genutzt werden um einen großen Schritt weiterzukommen auf dem Weg zu einem Festkörper-Quantencomputers.

„Ausgangspunkt unserer Arbeit war es, einzelne Atome als Träger von Quanteninformation zu nutzen.“, so Professor Ferdinand Schmidt-Kaler, Direktor des Instituts. „Nun sind wir diesem Ziel um ein gutes Stück näher gekommen. Quantentechnologien sind die Anwendungen der Zukunft.“ „Als wir diese Idee zum ersten Mal auf einer Tagung diskutierten, sprachen alle Physiker von Science Fiction und unlösbaren Barrieren. Die Ulmer Kollegen haben eine Mammutarbeit geleistet, denn es mussten sehr viele Detail-Probleme gelöst werden. Ich habe an das Konzept geglaubt, aber nie damit gerechnet, dass man diese Idee so schnell umsetzen kann“, so Dr. Jan Meijer, Geschäftsführer von RUBION. Die Arbeit wurde in der Ausgabe vom 20. Februar 2009, Vol. 102, der renommierten Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Verantwortlich: Dr. Kilian Singer, Institut für Quanteninformationsverarbeitung, Universität Ulm, Telefon 0731 / 50 – 15167