Tollend elektron laat zich op de nanometer nauwkeurig op een chip plaatsen
Onderzoekers van het Kavli Institute of NanoScience Delft in dienst van FOM zijn er samen met collega's van de Universiteit Leiden in geslaagd om een enkel spinnend elektron te positioneren op een chip met een precisie van enkele nanometers. Het elektron zit in een vooraf geselecteerd minuscuul diamantje. Een scherpe nanonaald kan het diamantje verplaatsen met behoud van alle unieke eigenschappen, zo is nu aangetoond. Bijzonder is ook dat het met een nieuwe techniek mogelijk is 'live' op nanometer schaal mee te kijken met het plaatsingsproces. Hiermee ligt de weg open naar het 'bottom-up' bouwen van quantumchips met nano-elementen naar keuze. Tot nu toe was het positioneren het grootste struikelblok voor diverse toepassingen zoals in een supercomputer, die hiermee weer een stapje dichterbij komen. De resultaten van hun onderzoek zijn op 28 april gepubliceerd gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Applied Physics Letters.
Centrale doelen in de quantummechanica zijn het controleren van de wisselwerking tussen een quantummechanisch deeltje en zijn omgeving, en het zoeken naar mogelijke toepassingen hiervan. De quantummechanische tolbeweging (spin) van een elektron kan bijvoorbeeld gebruikt worden voor een extreem gevoelige magneetveldmeter, of als opslag- en verwerkingseenheid van quantuminformatie in een toekomstige supercomputer. Een quantumdeeltje met gunstige optische eigenschappen is inzetbaar als een enkel-foton bron of een enkel-plasmon bron. Voor al deze toepassingen is nauwkeurige controle over de positie van het quantumdeeltje essentieel.
Het koolstofrooster van diamant kan een uitgebreide variatie aan defecten bevatten met interessante optische en magnetische eigenschappen. Het Stikstof-Holte (NV) centrum, dat bestaat uit een stikstofatoom naast een missend koolstofatoom, de holte, is populair onder de quantumfysici. Het NV centrum is een zeer stabiele enkel-foton bron en in de spin van zijn elektronen kan quantuminformatie opgeslagen worden met een betrouwbaarheid die alle andere vaste-stof quantumbits verslaat. Deze eigenschappen blijven zelfs behouden op kamertemperatuur, wat extra interessant is voor toepassingen. Vele groepen over de wereld proberen dan ook het NV centrum te koppelen aan fotonische en magnetische structuren op een chip, maar het nauwkeurig genoeg plaatsen van het NV centrum was tot nu toe nog niet gelukt.
De onderzoekers uit Delft en Leiden gebruikten diamantjes ter grootte van slechts tientallen nanometers. Met optische metingen identificeerden zij eerst die diamantjes die een NV centrum bevatten. Vervolgens heeft de scherpe naald deze diamantjes opgepikt en op de juiste plek neergelegd, mogelijk gemaakt door het real-time beeld van een elektronenmicroscoop. Na het plaatsen hebben ze met optische metingen en met enkel-spin manipulatie aangetoond dat ze inderdaad een enkel NV centrum hadden verplaatst, inclusief al zijn unieke eigenschappen.
Het onderzoek vond plaats aan het Kavli Institute of Nanoscience in Delft en aan de Universiteit Leiden, en stond onder leiding van Ronald Hanson (FOM projectleider) en Tjerk Oosterkamp. Eerste auteur Toeno van der Sar is als oio in dienst van FOM. Het onderzoek werd uitgevoerd met subsidie van FOM, NWO, STW en ERC. Ronald Hanson ontving in 2007 een NWO-Vidi beurs voor onderzoek naar quantuminformatie in diamant. Tjerk Oosterkamp kreeg in 2007 een prestigieuze ERC Starting Grant.
Contact
Ronald Hanson, tel: +31 (0)15 278 71 88.
Referentie
Nanopositioning of a diamond nanocrystal containing a single nitrogen-vacancy defect center
T. van der Sar, E.C. Heeres, G.M. Dmochowski, G. de Lange, L. Robledo, T.H. Oosterkamp, and R. Hanson.
Applied Physics Letters 94, 173104 (2009) http://link.aip.org/link/?APPLAB/94/173104/1.