Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun medewerkers hebben waargenomen hoe de energie van een enkel elektron in een halfgeleidermateriaal nauwkeurig kan worden gecontroleerd door de posities van nabijgelegen atomen aan te passen. Deze ontdekking zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om kwantumapparaten, zoals transistors, te maken die op zeer lage vermogensniveaus werken en beter bestand zijn tegen ruis.

In traditionele halfgeleiderapparaten wordt de elektronenstroom geregeld door het aanleggen van een elektrisch veld. Deze benadering wordt echter beperkt door het feit dat elektronen ook worden beïnvloed door de thermische beweging van de atomen in het materiaal. Dit kan ervoor zorgen dat de apparaten luidruchtig en inefficiënt worden, vooral bij hoge temperaturen.

De aanpak van het NIST-team vermijdt dit probleem door een andere manier te gebruiken om de elektronenstroom te controleren. In plaats van een elektrisch veld aan te leggen, gebruiken ze een techniek die 'kwantumopsluiting' wordt genoemd, om een ​​klein, geïsoleerd gebied van halfgeleidermateriaal te creëren waarin de elektronen vrij kunnen bewegen. Dit gebied is omgeven door een laag atomen die als barrière fungeren en voorkomen dat de elektronen ontsnappen.

Door de posities van de atomen in de barrièrelaag zorgvuldig te controleren, konden de onderzoekers de energie van het enkele elektron in het beperkte gebied nauwkeurig afstemmen. Hierdoor konden ze een apparaat maken dat als transistor fungeert, maar zonder dat er een elektrisch veld nodig is.

De ontdekking van het NIST-team zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie kwantumapparaten die krachtiger en efficiënter zijn dan traditionele halfgeleiderapparaten. Deze apparaten kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, zoals kwantumcomputing, kwantumcryptografie en kwantumdetectie.

De bevindingen van het onderzoeksteam zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology.