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Posted: Jan 03, 2013

Besser als Diamant

(Nanowerk News) Siliziumkarbid-Kristalle bestehen aus einem regelmässigen Gitter, aufgebaut aus Silizium- und Kohlenstoff-Atomen. Die Halbleiter finden heutzutage vielfach in der Mikro- und Optoelektronik Verwendung. Physikern der Universität Würzburg ist es jetzt mit Wissenschaftlern aus St. Petersburg gelungen, Siliziumkarbid so zu manipulieren, dass sich das Material unter anderem für den Einsatz in neuartigen, extrem schnellen Quanten-Computern anbietet.
Eine Fehlstelle im Kristall
"Wir haben ein Siliziumatom aus dem Kristallgitter entfernt und somit eine Silizium-Fehlstelle erzeugt", erklärt Dr. Georgy Astakhov die Vorgehensweise der Physiker. Astakhov ist wissenschaftlicher Assistent am Lehrstuhl für Experimentelle Physik VI der Universität Würzburg.
Zur Überraschung der Forscher gibt diese Fehlstelle dem Material interessante neue Eigenschaften. Damit der Halbleiter Licht emittiert, müssen seine Elektronen – bildlich gesprochen – auf ein höheres Energieniveau gebracht werden, beispielsweise durch die Zufuhr von sehr energiereichem Licht. Die Silizium-Fehlstelle sorgt nun dafür, dass zusätzliche Energieniveaus in der so genannten Bandlücke entstehen.
Eine Kombination aus Licht- und Radiowellen kann benutzt werden, um Information in Silizium-Fehlstellen zu speichern und auszulesen
Eine Kombination aus Licht- und Radiowellen kann benutzt werden, um Information in Silizium-Fehlstellen zu speichern und auszulesen. (Grafik: Georgy Astakhov)
Aufstiegshilfe für Elektronen
Vladimir Dyakonov, Professor und Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik VI, erklärt das Geschehen mit einem einfachen Bild: "In einem regulären, fehlerfreien Siliziumkarbid-Kristall muss das Elektron eine hohe Hürde mit nur einem Schritt überwinden. Es braucht dafür ziemlich viel Energie. Dank der Fehlstelle bekommt es aber eine Leiter zur Verfügung gestellt. Mit ihr kann es die Hürde in zwei Schritten hochklettern, und dafür ist weniger Energie nötig."
Diese Art von Siliziumkarbid strahlt nun kein ultraviolettes, sondern infrarotes Licht ab, wenn die Elektronen von dem hohen Energieniveau auf das niedrigere "zurückfallen". Licht, das sich nach Astakhovs Worten besser dafür eignet, Informationen in einer Glasfaser zu übertragen. "Dort werden Wellenlängen im Infraroten benötigt", so der Physiker.
Einsatz im Quantencomputer
Besonders interessant ist das modifizierte Siliziumkarbid für eine weitere Anwendung – als Halbleiter und Speichermedium in neuartigen Quanten-Computern. "Transistoren sind seit ihrer Erfindung von mehreren zehn Mikrometern auf ungefähr zehn Nanometer geschrumpft – also auf etwa ein Tausendstel ihrer anfänglichen Grösse", sagt Astakhov. Schreitet die Miniaturisierung in diesem Tempo fort, müssten Transistoren in einem Jahrzehnt aus einem einzelnen Atom bestehen. In dieser Grössenordnung gelten dann allerdings andere physikalische Gesetze, nämlich die der Quantenmechanik.
Heutige Computer verarbeiten Informationen nach dem binären Prinzip 0 und 1: Strom fliesst oder er fliesst nicht. Ein Quantencomputer verarbeitet Informationen in Form von sogenannten Qubits. Basis dafür kann der Spin der Elektronen sein. Das ist – vereinfacht gesagt – deren Drehimpuls. Er kann in verschiedene Richtungen zeigen und deshalb viel mehr Information als ein klassisches Bit enthalten.
In der Fehlstelle liegt die Information
"Auf diesem Forschungsgebiet haben zuletzt die Farbzentren in Diamant grosse Aufmerksamkeit gewonnen, die ähnliche Defekte aufweisen wie unser Siliziumkarbid", sagt Astakhov. Ihre Qubits lassen sich gut ansprechen, verändern und auslesen – und das auch noch bei Raumtemperatur. Allerdings ist Diamant ein Material, dessen Herstellungstechnologie längst nicht so gut entwickelt ist wie für Silizium-Halbleiter. "Deshalb läuft jetzt weltweit eine Suche nach Quantensystemen, welche die Vorteile von Diamant und Silizium in einem Material vereinigen", so Astakhov.
Siliziumkarbid mit einer Fehlstelle bietet sich dafür nach Einschätzung der Würzburger Physiker an. "Das fehlende Atom hat ja auch zur Folge, dass in dem Kristallgitter ein Elektron fehlt", erklärt Dyakonov, "und das ist wiederum gleichbedeutend mit dem Spin, der im Quanten-Computer Informationsträger sein kann". Ausserdem sei die Technologie für Siliziumkarbid sehr gut entwickelt. Leuchtdioden, Transistoren, mikroelektromechanische Bauelemente oder Sensoren aus diesem Material sind bereits auf dem Markt.
Beschuss mit Licht und Radiowellen
Für ihre Experimente haben die Würzburger Physiker mit Forschern aus Sankt Petersburg zusammengearbeitet. Indem sie die Siliziumkristalle gleichzeitig mit Licht und Radiowellen "beschossen", konnten sie die Spins gezielt manipulieren und so die Information speichern und bei Bedarf auslesen. Besonders begeistert sind die Physiker von einem Aspekt: "Es ist bemerkenswert, dass sich die Silizium-Fehlstellen-Qubits in einem dicht gepackten Kristall fast wie Atome mit sehr definierten, äusserst scharfen optischen Resonanzen verhalten. Das ist absolut aussergewöhnlich", so Astakhov.
Ihre Ergebnisse haben die Forscher Ende 2012 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters ("Resonant Addressing and Manipulation of Silicon Vacancy Qubits in Silicon Carbide") veröffentlicht. "Das ist ein neues Forschungsgebiet, für das experimentelle Daten von anderen Arbeitsgruppen momentan noch Mangelware sind. Aber die Gutachter waren von unseren Experimenten angetan und haben das Manuskript gleich zur Veröffentlichung empfohlen. Wir sind sehr gespannt auf die Resonanz bei der Fachcommunity", sagt Astakhov. Eine erste Reaktion gab es bereits: Astakhov wurde eingeladen, die Ergebnisse auf dem Quantum Science Symposium in Cambridge zu präsentieren.
Zukünftige Pläne
Spin-Quanten-Computer müssen Informationen nicht nur verarbeiten, sondern auch über einen möglichst langen Zeitraum hinweg speichern können. Das ist momentan noch ein Problem, da die Streufelder benachbarter Atomkerne die an Fehlstellen gespeicherte Information mit der Zeit löschen.
Die Forscher aus Würzburg und Sankt Petersburg planen deshalb, in einem nächsten Schritt Siliziumkarbid-Kristalle herzustellen, die aus einem Silizium-Isotop ohne magnetisches Moment aufgebaut sind. "Wir wissen, dass von Silizium- und Kohlenstoffatomen auch spin-freie Isotope existieren", sagt Astakhov. Ein Siliziumkarbid-Kristall, aufgebaut nur aus solchen Isotopen, sollte deshalb in der Lage sein, die Information sehr lange zu behalten.
Source: Universität Würzburg
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