Elektronen kunnen ongehinderd door kunstmatig atoom bewegen
Onderzoekers van de Stichting FOM, de Technische Universiteit Delft en NTT Basic Research Laboratories in Japan hebben voor het eerst waargenomen dat elektronen ongehinderd door een kunstmatig atoom kunnen bewegen. Bovendien blijkt in de onderzochte situatie de informatie over de fase van elk elektron behouden te blijven. Dit betekent dat voorspeld kan worden wat de fase van het elektron is. Dit is van groot belang voor de toepassing van kunstmatige atomen in een eventuele quantumcomputer. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in het Amerikaanse wetenschapsblad Science van 22 september.
De fysici in Delft en Japan doen onderzoek aan het zogeheten Kondo-effect. In het begin van de 20ste eeuw stuitten natuurkundigen op een opmerkelijke eigenschap van metalen. Wanneer een metaal een kleine concentratie magnetische onzuiverheden bevat (bijvoorbeeld ijzeratomen), dan neemt bij afkoelen van het metaal aanvankelijk de elektrische weerstand af, net als bij zuivere metalen. Bij zo'n tien graden boven het absolute nulpunt (0 kelvin of -273,15 graden Celsius) begint de weerstand echter weer toe te nemen. In 1964 kwam de Japanse natuurkundige Jun Kondo met een quantummechanische verklaring voor dit fenomeen.
Meten aan kunstmatige atomen
Met de komst van fabricagetechnieken om zeer kleine elektronische structuren in halfgeleidermaterialen te maken, kregen natuurkundigen de mogelijkheid om het Kondo-effect ook te onderzoeken in zogeheten quantumdots (te beschouwen als een soort kunstmatige atomen). Quantumdots hebben afmetingen van tientallen nanometers tot enkele micrometers (een nanometer is een miljoenste millimeter, een micrometer een duizendste millimeter). Het aantal elektronen in een quantumdot kan uiteenlopen van één (!) tot een paar duizend. Omdat een quantumdot zo klein is, kunnen effecten van de quantummechanica er uitstekend in bestudeerd worden. Dat is de eerste interesse van natuurkundigen. Daarnaast bieden quantumdots zicht op alle effecten die zich zullen voordoen in de kleinst mogelijke elektronische schakelingen in halfgeleidermaterialen.
Volledige doorgang van elektronen
De theorie voorspelt dat het Kondo-effect zich in quantumdots niet als een verhoogde elektrische weerstand zal voordoen, maar als een verhoogde geleiding. Elektronen bewegen er dan gemakkelijker doorheen dan op grond van de klassieke theorie verwacht mag worden. Eerder dit jaar hebben de onderzoekers inderdaad het Kondo-effect in quantumdots gemeten. Eén van de wonderlijkste aspecten van de Kondo-theorie was echter nog nooit experimenteel waargenomen: een elektron moet door de quantumdot heen kunnen bewegen zonder weerkaatst te worden aan de barrières aan de rand van de quantumdot. De waarschijnlijkheid dat het elektron door de quantumdot wordt geleid is dus 1! Daarom wordt dit de unitaire limiet genoemd. Dit verschijnsel is verbazingwekkend, omdat elektronen bij het binnenkomen en het verlaten van de quantumdot de zogeheten tunnelbarrière moeten nemen, en de kans dat ze daar overheen komen is elke keer veel kleiner dan 1. Merkwaardig is het feit dat dit verschijnsel zich alleen voordoet bij zeer lage temperaturen (beneden 100 millikelvin). Wanneer de temperatuur wordt verhoogd, worden elektronen wel weerkaatst.
Basis voor quantumcomputer?
De onderzoekers hebben de unitaire limiet nu voor het eerst experimenteel waargenomen en vinden een heel goede overeenkomst met de voorspelling van de Kondo-theorie. Bovendien constateren ze dat in het geval van de unitaire limiet interferentie van elk elektron mogelijk is. Dit kan alleen als de informatie over de fase van de elektronen gedeeltelijk of helemaal bewaard blijft. Door deze zogeheten coherentie kan de fase van het elektron worden gedefinieerd en voorspeld. Fasebehoud is noodzakelijk om gebruik te kunnen maken van quantummechanische eigenschappen van het systeem, bijvoorbeeld voor een mogelijke quantumcomputer.
Meer informatie: ir. Wilfred van der Wiel of ir. Jeroen Elzerman, telefoon (015) 278 71 30.