Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

„Künstliche Atome“ direkt elektronisch auslesen

23.02.2011
Bochumer Physiker bauen 0-dimensionale Systeme
Nature Communications: Quantenpunkte be- und entladen

Für die Informationsverarbeitung der Zukunft suchen Forscher nach Möglichkeiten, neben Strömen von Elektronen auch deren Drehung zu nutzen. In Kombination könnten diese Eigenschaften wesentlich mehr Informationen speichern als nur „null“ und „eins“. Da das bei einzelnen Atomen schwierig ist, bauen RUB-Physiker um Prof. Dr. Andreas Wieck „künstliche Atome“ in Festkörper ein.

Unter seiner Beteiligung ist es einem Forscherteam aus Duisburg-Essen, Hamburg und Bochum nun gelungen, Zustände solcher künstlichen Atome direkt elektronisch auszulesen – mit gängigen Schnittstellen zu klassischen Computern. Das ist ein großer Schritt hin zur Anwendbarkeit solcher Systeme. Sie berichten in Nature Communications.

Eine Million statt einzelne Atome

Im Prinzip ist die Nutzung des Spins von Elektronen an einzelnen Atomen möglich, aber die Kleinheit der Signale und die Schwierigkeit, einzelne Atome definiert zu halten, beschränkt diese Technik auf hochspezialisierte Labors. Es bedarf eines ultrahohen Vakuums und aufwändiger Lasertechnik. „Wesentlich eleganter ist es, atomähnliche Systeme in Festkörper einzubauen“, sagt Prof. Wieck. Hier hilft die Quantenmechanik: Für Standard-Elektronendichten in Halbleitern beträgt die Wellenlänge von Elektronen (und Löchern) einige 10 Nanometer (nm), was etwa einen Abstand von 100 Atomen bedeutet. Man braucht also nicht einzelne Atome zu isolieren oder einzubringen. Es genügt, Bereiche zu definieren, die in jeder Richtung etwa 100 Atome Ausdehnung haben, also etwa 1003 = eine Million Atome umfassen. „Aber selbst das ist nicht ganz einfach, denn die heutige Hochintegration beherrscht ‚erst‘ rund 50nm Auflösung“, erklärt Prof. Wieck.

Trick: Orangen auf Mandarinen stapeln

Hier hilft ein Trick, der mit dem Atomabstand im Kristallgitter zu tun hat: Elektronen halten sich lieber in Indium-Arsenid (InAs) auf als in Gallium-Arsenid (GaAs). Da Indium ein wesentlich größeres Atom als Gallium ist, muss man sich eine Schichtung einer InAs-Schicht auf GaAs etwa so vorstellen, wie wenn man Orangen auf Mandarinen schichtet: Die erste Orangen (InAs-) Schicht wird aufgelegt, indem die Orangen auf Mandarinen (GaAs-) Breite „gequetscht“ werden, was zu einer „verspannten“ Schicht führt. Auch die zweite Orangen (InAs-) Lage muss verspannt werden, aber wenn man mehrere solcher Lagen übereinander schichtet, „vergisst“ das Orangen-System seine Mandarinen-Unterlagen-Ordnung. Die Verspannung „relaxiert“, das heißt sie wirft Fehlstellen und Lücken und türmt die Orangen zu einzelnen Haufen auf. Solche InAs-Haufen – InAs-Quantenpunkte oder „QDs“ (nach der englischen Bezeichnung Quantum Dots) genannt – wachsen also selbstorganisiert. Sie sind einige 10nm breit und etwa 5nm hoch, und damit für den quantenmechanischen Ladungsträgereinschluss ideal geeignet. Es passt gerade eine Wellenlänge der Elektronen bzw. Elektronenlöcher hinein. Die QDs zwingen die Elektronen in quantisierte Energien, womit sie als „künstliche Atome“ für Informations-Verarbeitungs-Zwecke einsetzbar sind.

10 Millionen mal kleiner als ein Hamburger

Die Bochumer Forscher stellen schon seit einigen Jahren die homogensten QD-„Ensembles“ her: Alle erzeugten QDs haben praktisch die gleiche Größe und ähneln als unten abgeflachte Linse einem „Hamburger“-Oberteil, sind aber rund 10 Millionen mal kleiner. „In jeden QD eines ca. eine Million umfassenden QD-Ensembles füllen wir definiert einige wenige Elektronen ein, wobei wir mit den Leichtesten beginnen, Wasserstoff, Helium und Lithium“, erläutert Prof. Wieck. Bisher wurden die Energieniveaus, die diese Elektronen besetzen, nur mit optischen Methoden ausgelesen. „Das ist zwar sehr elegant, bedarf aber eines großen Messaufwands mit spezialisierten Lasern, Detektoren und Spektralapparaten“, so Wieck. In der aktuellen Arbeit beschritten die Forscher einen gänzlich anderen Weg: Sie präparierten die QDs auf einer leitenden Elektronenschicht und maßen nur den elektrischen Widerstand dieser Schicht, der sich mit der Elektronenbesetzung der QDs ändert. „Dadurch haben wir einen direkten, elektronischen Zugriff auf die besetzten Zustände in den QDs und können diese mit gängigen Interfaces zu klassischen Computern auslesen.“

Titelaufnahme

B. Marquardt, M. Geller, B. Baxevanis, D. Pfannkuche, A. D. Wieck, D. Reuter, and A. Lorke: Transport spectroscopy of non-equilibrium many-particle spin states in self-assembled quantum dots. In: Nature communications, 22.2.2011, doi: 10.1038/ncomms1205

Weitere Informationen

Prof. Dr. Andreas Wieck, Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-28786, E-Mail: andreas.wieck@rub.de

Redaktion: Meike Drießen

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Mit Diamant und Laser kleinste Magnetfelder im Gehirn messen // Quantensensorik am Fraunhofer IAF
25.09.2018 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

nachricht Mögliche Heimatsterne für das interstellare Objekt 'Oumuamua'
25.09.2018 | Max-Planck-Institut für Astronomie

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: Kupfer-Aluminium-Superatom

Äußerlich sieht der Cluster aus 55 Kupfer- und Aluminiumatomen aus wie ein Kristall, chemisch hat er jedoch die Eigenschaften eines Atoms. Das hetero-metallische Superatom, das Chemikerinnen und Chemiker der Technischen Universität München (TUM) hergestellt haben, schafft die Voraussetzung für die Entwicklung neuer, kostengünstiger Katalysatoren.

Chemie kann teuer sein. Zum Reinigen von Abgasen beispielsweise benutzt man Platin. Das Edelmetall dient als Katalysator, der chemische Reaktionen...

Im Focus: Hygiene im Handumdrehen – mit neuem Netzwerk „CleanHand“

Das Fraunhofer FEP beschäftigt sich seit Jahrzehnten mit der Entwicklung von Prozessen und Anlagen zur Reinigung, Sterilisation und Oberflächenmodifizierung. Zur Bündelung der Kompetenzen vieler Partner wurde im Mai 2018 das Netzwerk „CleanHand“ zur Entwicklung von Systemen und Technologien für saubere Oberflächen, Materialien und Gegenstände ins Leben gerufen. Als Partner von „CleanHand“ präsentiert das Fraunhofer FEP im Rahmen der Messe parts2clean, vom 23.-25. Oktober 2018, in Stuttgart, am Stand der Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik (Halle 5, Stand C31), das Netzwerk sowie aktuelle Forschungsschwerpunkte des Institutes im Bereich Hygiene und Reinigung.

Besonders um die Hauptreisezeiten gehen vermehrt Testberichte und Studien über die Reinheit von europäischen Raststätten, Hotelbetten und Freibädern durch die...

Im Focus: Hygiene at your fingertips with the new CleanHand Network

The Fraunhofer FEP has been involved in developing processes and equipment for cleaning, sterilization, and surface modification for decades. The CleanHand Network for development of systems and technologies to clean surfaces, materials, and objects was established in May 2018 to bundle the expertise of many partnering organizations. As a partner in the CleanHand Network, Fraunhofer FEP will present the Network and current research topics of the Institute in the field of hygiene and cleaning at the parts2clean trade fair, October 23-25, 2018 in Stuttgart, at the booth of the Fraunhofer Cleaning Technology Alliance (Hall 5, Booth C31).

Test reports and studies on the cleanliness of European motorway rest areas, hotel beds, and outdoor pools increasingly appear in the press, especially during...

Im Focus: Neue Therapien bei Gefäßerkrankungen

Auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Angiologie (DGA) vom 12. bis 15. September in Münster stellten Gefäßspezialisten aus ganz Deutschland die neuesten Therapien bei Gefäßerkrankungen vor. Vor allem in den Bereichen periphere arterielle Verschlusskrankheit (pAVK) und venöse Verschlusskrankheiten wie die Tiefe Venenthrombose (TVT) gibt gute Neuigkeiten für die Patienten. Viele der 720 Gefäßspezialisten, die an der Jahrestagung teilnahmen, stellten neueste Studienergebnisse vor.

Millionen Menschen leiden in Deutschland unter Gefäßerkrankungen, allein rund fünf Millionen unter der „Schaufensterkrankheit“, medizinisch periphere...

Im Focus: Wie Magnetismus entsteht: Elektronen stärker verbunden als gedacht

Wieso sind manche Metalle magnetisch? Diese einfache Frage ist wissenschaftlich gar nicht so leicht fundiert zu beantworten. Das zeigt eine aktuelle Arbeit von Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich und der Universität Halle. Den Forschern ist es zum ersten Mal gelungen, in einem magnetischen Material, in diesem Fall Kobalt, die Wechselwirkung zwischen einzelnen Elektronen sichtbar zu machen, die letztlich zur Ausbildung der magnetischen Eigenschaften führt. Damit sind erstmals genaue Einblicke in den elektronischen Ursprung des Magnetismus möglich, die vorher nur auf theoretischem Weg zugänglich waren.

Für ihre Untersuchung nutzten die Forscher ein spezielles Elektronenmikroskop, das das Forschungszentrum Jülich am Elettra-Speicherring im italienischen Triest...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Fachkonferenz "Automatisiertes und autonomes Fahren"

25.09.2018 | Veranstaltungen

4. BF21-Jahrestagung „Car Data – Telematik – Mobilität – Fahrerassistenzsysteme – Autonomes Fahren – eCall – Connected Car“

21.09.2018 | Veranstaltungen

Forum Additive Fertigung: So gelingt der Einstieg in den 3D-Druck

21.09.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Bisher unbekannter Mechanismus der Blut-Hirn-Schranke entdeckt

25.09.2018 | Biowissenschaften Chemie

Suche nach Grundwasser im Ozean - Neues deutsch-maltesisches Forschungsprojekt gestartet

25.09.2018 | Geowissenschaften

Auf dem Weg zur Prothese der Zukunft

25.09.2018 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics