Print deze pagina 7 april 2009 2009/10

Regelbare dubbele quantum dots en Klein tunneling in nanobuisjes

Onderzoekers van het Kavli Institute of NanoScience in Delft zijn er voor het eerst in geslaagd om één enkel elektron te vangen in een goed regelbare koolstof nanobuis dubbele quantum dot. Dit kon dankzij een nieuwe manier om ultraschone nanobuisjes te maken. De onderzoekers ontdekten bovendien een nieuw soort tunneling waardoor elektronen dwars door obstakels heen kunnen vliegen. Het team staat onder leiding van Leo Kouwenhoven, die binnen FOM leider is van de focusgroep Solid state quantum information processing en in 2007 een Spinozapremie van NWO ontving. De resultaten van het onderzoek werden begin deze week, op 6 april gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Nature Nanotechnology.

Een quantum dot kan worden beschouwd als een klein 'doosje' gevuld met een regelbaar aantal elektronen. Dit doosje is gekoppeld aan één of meer 'gate' elektroden waarmee het elektronenaantal op de dot gevarieerd kan worden. De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe technologie om heel erg schone nanobuis quantum dots te maken. Dit maakt het mogelijk om in een nanobuisje één enkele elektron te vangen. Bovendien konden de onderzoekers nu voor het eerst een goed controleerbare enkele elektron dubbele dot maken.

Quantum dots sturen
Eén van de toekomstdromen binnen de quantummechanica is het bouwen van een superkrachtige quantumcomputer. Om dit te kunnen doen is het noodzakelijk om de elektronspin van de quantum dots te kunnen manipuleren. Zo kan informatie worden opgeslagen en weer uitgelezen. Tot nu was het echter onmogelijk om dubbele quantum dots in nanobuisjes, twee aan elkaar gekoppelde quantum dots, die alleen een enkele elektron vangen, nauwkeurig te controleren.

De onderzoekers gebruikten silicium elektrodes die dicht bij het ultra-schone nanobuisje liggen om zo het elektronenaantal van de quantum dot nauwkeurig af te kunnen stemmen. De onderzoekers gebruikten in hun onderzoek drie elektrodes, maar er kunnen zelfs meer elektroden ingebouwd worden. Het ultraschone buisje zorgt er voor dat er geen verstoring optreedt bij de manipulatie van de elektronen.

Tunneling
De onderzoekers ontdekten tijdens het bestuderen van de dubbele quantum dot een nieuwe manier van tunneling, die gelijk is aan tunneling volgens de Klein-paradox. Tunneling is een effect waarbij snel bewegende elektronen dwars door obstakels heen kunnen vliegen. Het deeltje gaat dan dwars door een barrière heen, terwijl het niet voldoende energie heeft om over de barrière heen te gaan. Normaalgesproken vindt er geen tunneling meer plaats zodra de barrière te groot wordt. De beroemde Klein-paradox voorspelt dat als de barrière nog groter wordt, tunneling weer plaats kan vinden door de invloed van relativistische kwantummechanica.

In het geval van 'normale' tunneling kunnen elektronen alleen van de éne quantum dot naar de andere quantum dot door de tunnelkoppeling van de golffuncties aan weerszijden van de energiebarrière binnen de dubbele quantum dot. De onderzoekers gebruikten de silicium stuurelektrodes om de barrière te manipuleren en zagen zo tunneling plaatsvinden terwijl de barrière groter werd. Deze manier van tunneling benadrukt de nauwe relatie tussen de fysica van halfgeleiders, zoals die in het onderzoek, en de hoge energie fysica.

Het onderzoek vond plaats aan het Kavli Instituut voor Nanoscience van de Technische Universiteit Delft. Eerste auteur van het artikel in Nature Nanotechnology is Gary Steele. Gary Steele, Georg Götz en Leo Kouwenhoven voerden het onderzoek uit met subsidie van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en NWO. innen FOM is Leo Kouwenhoven leider is van de focusgroep Solid state quantum information processing en ontving in 2007 de Spinozapremie van NWO.

Referentie:
'Tunable few-electron double quantum dots and Klein tunnelling in ultra-clean carbon nanotubes', Gary Steele, Georg Götz en Leo Kouwenhoven.
Het artikel verscheen op 5 april als Advance Online Publication op de website van Nature Nanotechnology

Voor meer informatie kunt u contact opnemen prof. Gary Steele (TU Delft).

Contact:

Figuur 2. Stroomverdeling over de nanobuis

De stroom gemeten door de nanobuis als functie van de stroom door de linker en rechter stuurelektroden. Elektronen worden opgesloten in een energielandschap met de vorm van een 'double well', door deze met de linker en rechter stuurelektrode aan te trekken, en met de middelste af te stoten. Dat creëert het zogenaamde 'dubbele quantum dot', die we kunnen detecteren door de driehoeksvorm die zichtbaar is in het plaatje. De lijnen parallel aan de linkerzijde van de driehoek worden veroorzaakt door de energieniveaus in de twee dots. Door te kijken naar hoe de stroom afhangt van de sterkte van de afstoting bij de elektrode in het midden, hebben de onderzoekers een nieuw type tunneling in een koolstof nanobuis ontdekt, analoog aan de tunneling volgens de Klein paradox in relativistische kwantum mechanica.
Figuur 1. De nanobuis loopt over de drie stuurelektroden.

Beeld van een ultraschoon nanobuisje, gemaakt met een elektronenmicroscoop.Â De onderzoekers maakten de nanobuisjes door deze te laten groeien uit een eiland van katalysatordeeltjes, zoals te zien aan de rechterkant van het plaatje. Afgebeeld is een enkel nanobuisje dat contact maakt met de metalen geleidingslagen, groen gekleurd. Deze lagen worden gebruikt voor de toe- en afvoer van lading van en naar de nanobuis. Tussen de twee metalen contactlagen bevinden zich drie 'gate' elektroden, de linker en rechter zijn grijs gekleurd en de elektrode die werkt op het midden van de nanobuis is blauw.