Het bijna perfecte materiaal voor onderzoek naar quantumeffecten

UT-onderzoekers ontwikkelen interessante bouwsteen voor quantumcomputer

14 september 2018

Onderzoekers van onderzoeksinstituut MESA+ van de Universiteit Twente zijn er, in samenwerking met collega’s uit Delft en Eindhoven, in geslaagd om nanodraadjes te ontwikkelen waarmee je individuele elektronen kunt invangen in een ‘quantum dot’ en waarin tegelijkertijd supergeleiding kan plaatsvinden. Hierdoor kunnen ze een rol spelen bij de ontwikkeling van quantumcomputers. De resultaten zijn maandag gepubliceerd in het wetenschappelijke vakblad Advanced Materials.

Quantumcomputers maken gebruik van quantumeigenschappen van materialen; eigenschappen die zich pas voordoen op lengteschalen van enkele tientallen nanometers (een nanometer is een miljoen keer kleiner dan een millimeter). Hierdoor vraagt een quantumcomputer om compleet andere bouwstenen dan een klassieke computer. Wetenschappers wereldwijd werken aan deze bouwstenen, maar wat nou de beste materialen voor de verschillende bouwstenen zijn, is vooralsnog onduidelijk.

Foto 1 Universiteit TwenteFoto 1 Universiteit Twente

Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben, in samenwerking met de Technische universiteiten Delft en Eindhoven, een nieuwe interessante bouwsteen ontwikkeld. Ze slaagden er in om nanodraadjes gemaakt van germanium en silicium te creëren waarin je individuele elektronen kunt opsluiten (in het experiment werd gewerkt met ‘gaten’, oftewel ‘de afwezigheid van elektronen’) in een quantum dot en waarin tegelijkertijd supergeleiding kan plaatsvinden, stroom die zonder enige weerstand door de draadjes gaat. De combinatie van een quantum dot en supergeleiding maakt het mogelijk om Majorana-fermionen te vormen, exotische deeltjes die zelf hun eigen antideeltje zijn en die worden gezien als een belangrijk ingrediënt van de toekomstige quantumcomputer.

Materiaal

Het is niet voor het eerst dat wetenschappers er in zijn geslaagd om nanodraadjes met daarop quantum dots te creëren waarin supergeleiding kan plaatsvinden. Het is echter wel nieuw dat dit gelukt is met draadjes gemaakt van een kern van germanium met daaromheen een schil van silicium. Volgens onderzoeker Joost Ridderbos is, naast de quantumeigenschappen, het belangrijkste voordeel van dit materiaal dat het extreem goed gedefinieerd is. Oftewel: je kunt het met extreme nauwkeurigheid fabriceren; elk atoom zit op de juiste plek. Ridderbos: “Of dit het materiaal is dat uiteindelijk in quantumcomputers terecht komt durf ik niet te zeggen; ik heb geen glazen bol. Wat ik wel weet is dat dit een ideaal materiaal is om fundamenteel onderzoek te doen dat relevant is voor de ontwikkeling van quantumcomputers. Het is het perfecte materiaal om te onderzoeken wat de juiste route richting deze computer is.”

Een nanodraad met een diameter van 20 nm (geel) ligt bovenop SiO2 (blauw). Al bron- en afvoercontacten (groen) definiëren een 150 nm lang nanodraadkanaal. Foto Universiteit Twente.Een nanodraad met een diameter van 20 nm (geel) ligt bovenop SiO2 (blauw). Al bron- en afvoercontacten (groen) definiëren een 150 nm lang nanodraadkanaal. Foto Universiteit Twente.

Onderzoek

In hun onderzoek groeiden de onderzoekers een draadje met een diameter van circa 20 nanometer. Vervolgens voorzagen ze dit van minuscule elektrodes van aluminium. Bij een temperatuur van 0,02 graden Celsius boven het absolute nulpunt van -273,15 graden Celsius slaagden ze er in om supergeleidende stroom door het draadje heen te laten lopen. Met een extern elektrische veld wisten ze een quantum dot te vormen met precies één gat er op (oftewel de afwezigheid van een elektron).

Het onderzoek is uitgevoerd door Joost Ridderbos (UT), Matthias Brauns (UT), Jie Shen (TU Delft), Folkert de Vries (TU Delft), Ang Li (TU/e), Erik Bakkers (TU Delft, TU/e), Alexander Brinkman (UT) en Floris Zwanenburg (UT). Het onderzoek is financieel mede mogelijk gemaakt door NWO en de EU.

Bibliografie: J. Ridderbos, M. Brauns, J. Shen, F. K. de Vries, A. Li, E. P. A. M. Bakkers, A. Brinkman, F. A. Zwanenburg, Josephson Effect in a Few‐Hole Quantum Dot, Adv. Mater. 2018, 1802257. https://doi.org/10.1002/adma.201802257.

Bron: Universiteit Twente