Wenn man zwei ultra­dünne Mate­ri­al­schich­ten kom­bi­niert, erge­ben sich neue Mög­lich­kei­ten für die Quan­ten-Elek­tro­nik. Ein inter­na­tio­na­les For­schungs­team mit TU-Betei­li­gung zeigt nun fle­xi­bel steu­er­bare Quantensysteme.

Zwei neu­ar­tige Mate­ria­lien, die jeweils nur aus einer ein­zi­gen Schicht von Ato­men bestehen, und dazu die Spitze eines Ras­ter­tun­nel­mi­kro­skops – das sind die Zuta­ten, mit denen es nun gelun­gen ist, eine neue Art soge­nann­ter „Quan­ten­punkte“ her­zu­stel­len. Dabei han­delt es sich um win­zige Nano­struk­tu­ren, die eine aus­ge­zeich­nete Kon­trolle über ein­zelne Elek­tro­nen erlau­ben, deren Ener­gie gezielt ver­än­dert wer­den kann. Für moderne Quan­ten­tech­no­lo­gien sind sol­che Struk­tu­ren ein wich­ti­ges Werkzeug.
Die theo­re­ti­sche Arbeit und die Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen für die neue Tech­no­lo­gie kamen vom Team um Flo­rian Libisch und Joa­chim Burg­dör­fer an der TU Wien, das Expe­ri­ment wurde an der RWTH Aachen von der For­schungs­gruppe von Mar­kus Mor­gen­stern durch­ge­führt. Betei­ligt daran war auch das Team der nobel­preis­ge­krön­ten Gra­phen-Ent­de­cker Andre Geim und Kos­tya Novo­selov aus Man­ches­ter, wel­che die Mate­ri­al­pro­ben bei­steu­er­ten. Die Ergeb­nisse wur­den nun im Fach­jour­nal „Nature Nano­tech­no­logy“ publiziert.

Ener­gie­un­ter­schiede nach Wunsch einstellen
„Für viele Anwen­dun­gen im Bereich der Quan­ten­tech­no­lo­gie braucht man ein Quan­ten­sys­tem, in dem ein Elek­tron zwei ver­schie­dene Zustände anneh­men kann – ähn­lich wie ein klas­si­scher Licht­schal­ter, nur mit dem Unter­schied, dass die Quan­ten­phy­sik auch belie­bige Über­la­ge­run­gen der bei­den mög­li­chen Zustände erlaubt“, erklärt Flo­rian Libisch vom Insti­tut für Theo­re­ti­sche Phy­sik der TU Wien.
Eine wich­tige Eigen­schaft sol­cher Sys­teme ist die Ener­gie­dif­fe­renz zwi­schen die­sen bei­den Quan­ten­zu­stän­den : „Man will in einem sol­chen Sys­tem die Infor­ma­tion, die in Form des Elek­trons abge­spei­chert ist, mög­lichst gut kon­trol­lie­ren, spei­chern und aus­le­sen kön­nen. Dafür wünscht man sich ein Sys­tem, in dem sich die Ener­gie­dif­fe­renz zwi­schen den bei­den Zustän­den kon­ti­nu­ier­lich ein­stel­len lässt – von fast null bis mög­lichst groß“, so Libisch.
Bei in der Natur vor­kom­men­den Sys­te­men, etwa in einem Atom, ist das schwie­rig. Dort sind die Ener­gien und damit die Ener­gie­dif­fe­ren­zen zwi­schen zwei erlaub­ten Zustän­den fix vor­ge­ge­ben. Mög­lich wird das gezielte Ändern des Ener­gie­ab­stands aller­dings in syn­the­ti­sier­ten Nano­struk­tu­ren, in denen Elek­tro­nen ein­ge­sperrt wer­den. Man bezeich­net sol­che Struk­tu­ren als „Quan­ten­punkte“ oder auch als „künst­li­che Atome“.

Gra­phen und Bor­ni­trid als ultra­dünne Materialien
Dem inter­na­tio­na­len For­schungs­team von TU Wien, RWTH Aachen und Uni­ver­si­tät Man­ches­ter gelang es nun, neu­ar­tige Quan­ten­punkte zu ent­wi­ckeln, in dem sich die ein­zel­nen Ener­gie­ni­veaus der Elek­tro­nen viel bes­ser und in grö­ße­rem Aus­maß steu­ern und kon­trol­lie­ren las­sen als bis­her. Mög­lich wurde das durch eine Kom­bi­na­tion von zwei ganz beson­de­ren Mate­ria­lien : Zum einen Gra­phen, das aus nur einer ein­zi­gen lei­ten­den Schicht von Koh­len­stoff-Ato­men besteht, zum ande­ren hexa­go­na­les Bor­ni­trid, einem Gra­phen stark ähneln­den ato­mar dün­nen Mate­rial, das aber iso­lie­rend ist.
Genau wie Gra­phen bil­det auch Bor­ni­trid eine sechs­eckig-waben­ar­tige Struk­tur aus ein­zel­nen Atom­la­gen. „Die Sechs­ecke im Gra­phen und die Sechs­ecke im Bor­ni­trid sind aller­dings nicht exakt gleich groß“, sagt Flo­rian Libisch. „Wenn man nun eine ein­zige Schicht Gra­phen sorg­fäl­tig auf hexa­go­na­les Bor­ni­trid legt, dann pas­sen die bei­den Schich­ten nicht per­fekt zusam­men, dadurch ent­steht eine Super­struk­tur mit einer Größe von eini­gen Nano­me­tern, die sich ver­biegt und extrem regel­mä­ßige Wel­len schlägt.“

Auf dem Weg zu „Val­ley­tro­nics“
Wie umfas­sende Berech­nun­gen an der TU Wien zeig­ten, sind genau diese Ver­bie­gun­gen einer kom­bi­nier­ten Gra­phen-Bor­ni­trid-Struk­tur der ideale Ort, um Elek­tro­nen zu kon­trol­lie­ren. Die regel­mä­ßi­gen Wel­len in der dün­nen Struk­tur bil­den dabei eine Poten­ti­al­land­schaft, in die man mit Hilfe eines Ras­ter­tun­nel­mi­kro­skops den Quan­ten­punkt punkt­ge­nau ein­pas­sen oder sogar kon­ti­nu­ier­lich ver­schie­ben kann. Je nach­dem, an wel­cher Stelle sich die Spitze des Mikro­skops befin­det, ändern sich die erlaub­ten Ener­gie­ni­veaus der Elek­tro­nen. „Durch eine Ver­schie­bung um wenige Nano­me­ter kann man den Unter­schied zwi­schen zwei benach­bar­ten Elek­tro­nen-Ener­gien zwi­schen ‑5 und +10 Milli-Elek­tro­nen­volt punkt­ge­nau ein­stel­len – das ist etwa das Fünf­zig­fa­che des­sen, was bis­her mög­lich war“, so Libisch.
Die Spitze des Ras­ter­tun­nel­mi­kro­skops könnte in Zukunft durch eine Reihe nano­elek­tro­ni­scher Bau­teile ersetzt wer­den. So sol­len die nun ent­deck­ten Mög­lich­kei­ten des Kom­bi­na­ti­ons­ma­te­ri­als aus Gra­phen und Bor­ni­trid zu einer ska­lier­ba­ren Quan­ten-Tech­no­lo­gien füh­ren. In sol­chen Fäl­len spricht man von „Val­ley­tro­nics“. „Das ist heute ein viel­dis­ku­tier­tes For­schungs­ge­biet, das frei­lich noch am Anfang steht“, ergänzt Flo­rian Libisch. „Die poten­zi­el­len tech­ni­schen Mög­lich­kei­ten die­ser ultra­dün­nen Mate­ria­lien sind jeden­falls viel­ver­spre­chend und des­halb hat die TU Wien 2017 auch ein Dok­to­ran­den­kol­leg zu die­sem Thema ins Leben gerufen.“