Kwantumstippen zouden ooit de basisinformatie-eenheden van kwantumcomputers kunnen vormen. In samenwerking met collega's uit Kopenhagen en Bazel hebben onderzoekers van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) en de Technische Universiteit van München (TUM) het fabricageproces voor deze kleine halfgeleiderstructuren drastisch verbeterd. De quantum dots worden gegenereerd op een wafer:een dunne halfgeleider kristalschijf. Tot op heden was de dichtheid van dergelijke structuren op de wafel moeilijk te regelen. Nu kunnen onderzoekers op een gerichte manier specifieke arrangementen maken - een belangrijke stap naar een toepasbare component die naar verwachting een groot aantal kwantumdots zou hebben.

Het team publiceerde zijn bevindingen op 28 maart 2022 in het tijdschrift Nature Communications . De studie werd uitgevoerd door een groep onder leiding van Nikolai Bart, professor Andreas Wieck en Dr. Arne Ludwig van de RUB-leerstoel Applied Solid State Physics in samenwerking met het team onder leiding van Christian Dangel en professor Jonathan Finley van de TUM Semiconductor Nanostructures and Quantum Systems onderzoeksgroep en collega's van de universiteiten van Kopenhagen en Basel.

Als paddenstoelen in het bos

Quantum dots zijn nauw gedefinieerde gebieden in een halfgeleider waarin bijvoorbeeld een enkel elektron kan worden opgesloten. Dit kan van buitenaf worden gemanipuleerd, bijvoorbeeld met licht, zodat informatie in de quantum dot kan worden opgeslagen. De onderzoekers uit Bochum zijn experts in het maken van quantum dots. Ze maken de structuren op een wafel van halfgeleidermateriaal dat ongeveer zo groot is als een bierviltje. De kwantumstippen hebben een diameter van slechts ongeveer 30 nanometer.

"Onze quantum dots groeiden vroeger als paddenstoelen in het bos", zoals Andreas Wieck de beginsituatie omschrijft. "We wisten dat ze ergens op de wafer zouden verschijnen, maar niet precies waar." De onderzoekers kozen vervolgens een geschikte paddenstoel in het bos voor hun experimenten met de kwantumstippen.

Voorlopige teeltexperimenten

In een aantal voorbereidende experimenten had het team al geprobeerd de groei van de quantum dots op de wafer te beïnvloeden. De natuurkundigen hadden de wafer op individuele punten bestraald met gefocusseerde ionen, waardoor defecten in het halfgeleiderkristalrooster ontstonden. Deze defecten werkten als condensatiekernen en veroorzaakten de groei van kwantumstippen. "Maar net zoals gekweekte paddenstoelen een beetje flauw smaken terwijl bospaddenstoelen heerlijk smaken, waren de op deze manier gecreëerde kwantumdots niet zo hoogwaardig als de natuurlijk gekweekte kwantumdots", illustreert Andreas Wieck. Ze straalden het licht niet zo perfect uit.

Daarom ging het team verder met de natuurlijk gegroeide kwantumstippen. Voor de experimenten werd de wafel ter grootte van een bierviltje in millimeter-kleine rechthoeken gesneden. Ze konden niet de hele wafer in één keer analyseren, omdat de vacuümkamer van het RUB-apparaat simpelweg niet groot genoeg was. De onderzoekers merkten echter op dat sommige wafelrechthoeken veel kwantumstippen bevatten, terwijl andere er weinig bevatten. "In het begin zagen we geen systeem erachter", herinnert Andreas Wieck zich, omdat de onderzoekers nooit het hele plaatje hebben gezien.

Kwantumstippen van hoge kwaliteit

Om de vraag nader te onderzoeken, werkte het team van Bochum samen met hun collega's van de TUM, die al in een vroeg stadium een ​​meetapparaat met een grotere monsterkamer tot hun beschikking hadden. Tijdens deze analyses ontdekte de groep dat er een vreemde verdeling was van gebieden met hoge en lage kwantumpuntdichtheden op de wafer. "De structuren deden sterk denken aan een moirépatroon dat vaak voorkomt in digitale afbeeldingen. Ik kwam al snel op het idee dat het eigenlijk een concentrisch patroon moest zijn, d.w.z. ringen, en dat deze te zien waren in correlatie met onze kristalgroei", legt uit Arne Lodewijk. Metingen met een hogere resolutie lieten inderdaad zien dat de dichtheid van quantum dots concentrisch was verdeeld. Vervolgens bevestigden de onderzoekers dat deze regeling te wijten was aan het fabricageproces.

In de eerste stap wordt de wafer gecoat met extra atomaire lagen. Door de geometrie van het coatingsysteem ontstaan ​​hierdoor ringvormige structuren die een volledige atoomlaag hebben, dat wil zeggen waar op geen enkel punt in de laag een atoom ontbreekt. Tussen de ringen worden evenzo brede gebieden gevormd die geen volledige atoomlaag hebben en dus een ruwer oppervlak hebben omdat individuele atomen ontbreken. Dit heeft gevolgen voor de groei van de quantum dots. "Om bij het beeld te blijven:in plaats van op een betonnen ondergrond groeien paddenstoelen liever op de bosbodem, dat wil zeggen op de ruwe plekken op de wafel", zegt Andreas Wieck.

De onderzoekers optimaliseerden het coatingproces zodat de ruwe plekken met regelmatige tussenpozen - van minder dan een millimeter - op de wafer verschenen en de ringen elkaar kruisten. Dit resulteerde in een bijna schaakbordachtig patroon met kwantumstippen van hoge kwaliteit, zoals de onderzoekers uit Basel en Kopenhagen aantonen. + Verder verkennen

Afleidingsvrije interactie tussen licht en materie