Trekken aan een nanodraad

Een quantumdot is een nanodeeltje van halfgeleidermateriaal dat zich in bepaalde opzichten gedraagt als een atoom. Zo kunnen quantumdots elektronen aan zich binden met een welbepaalde spin - een tweewaardige quantumeigenschap die het best te vergelijken is met het draaien van een tol (links- of rechtsom). Die spin kan gebruikt worden om informatie in op te slaan en kan zo fungeren als bit voor een quantumcomputer, die rekent op basis van de regels van de quantummechanica en daardoor bepaalde taken oneindig veel sneller kan uitvoeren dan de huidige computers.

Het manipuleren van elektronspin kan in principe met een magneetveld, legt promovendus Hans Tholen uit. “Het nadeel daarvan is echter dat het ondoenlijk is om individuele quantumdots te manipuleren met de benodigde hoge magneetvelden, met een sterkte tot wel 10 Tesla. Je hebt daarvoor namelijk een joekel van een magneet nodig, terwijl de quantumdots juist superklein zijn - zo’n tien nanometer.” Daarom is het praktisch onmogelijk om voor elke quantumdot een ‘eigen’ magneetveld aan te leggen.

Uitrekken

Voor zijn promotieonderzoek in de groep Photonics and Semiconductor Nanophysics ging Tholen daarom uit van min of meer het omgekeerde: hij hield het magneetveld constant en probeerde aan te passen hoe de quantumdot op de waarde van het magneetveld reageert. Die interactie tussen de elektronspin en een magneetveld wordt onder meer bepaald door de specifieke eigenschappen van het halfgeleidermateriaal waarvan de quantumdot is gemaakt, legt natuurkundige uit. “En die kun je aanpassen met een mechanische spanning; door de quantumdot iets in te drukken of uit te rekken.”

Tholen onderzocht onder meer quantumdots in nanodraden - een soort minuscule pilaartjes met een doorsnede van enkele honderden nanometers en een lengte van een aantal micrometer. “Die quantumdots kun je maken door tijdens het groeiproces van een nanodraad een schijfje van een ander materiaal in te voegen”, legt hij uit. “We waren op zoek naar een situatie waarin je de sterkte van de interactie tussen de elektronspin en het magneetveld van negatief naar positief kunt verschuiven door de trekkracht op de nanodraad te variëren. Dat is namelijk nodig om de elektronspins te kunnen manipuleren.”

Quasideeltje

Gelukkig bleek volgens Tholens berekeningen de component van het magneetveld loodrecht op het oppervlak van de quantumdot, in de lengterichting van de nanodraad, te voldoen aan die vereiste. Met dien verstande dat het daarbij niet zozeer ging om de interactie met een elektron, maar juist met het ‘gat’ dat een elektron achterlaat nadat deze met behulp van wat laserlicht in een hogere energietoestand is gebracht. “Zo’n gat is een quasideeltje dat zich gedraagt als een elektron met tegengestelde lading en spin”, verklaart de promovendus.

Zo’n theoretische voorspelling is echter weinig waard als deze niet in de praktijk bevestigd kan worden. Tholen nam daarom een nanodraad, die hij bevestigde op een zogeheten piezo, een blokje materiaal dat krimpt of uitzet afhankelijk van de elektrische spanning waaraan het materiaal wordt blootgesteld. “Op die manier konden we de nanodraad, en dus de quantumdot, ongeveer een tiende procent uitrekken”, vertelt hij. “Dat deden we middenin een supergeleidende elektromagneet, gekoeld met vloeibaar helium in een twee meter hoge cryostaat.”

Grotere krachten

Het resultaat van dit getrek wist hij af te lezen aan de hand van laserlicht dat hij van bovenaf door de centrale schacht van de elektromagneet stuurde. Een hele klus, maar de uitkomsten van het experiment kwamen volgens de promovendus wonderwel overeen met de theoretische modellen. “Zo goed zelfs dat het ons ook wel een beetje verbaasde”, lacht hij.

Voordat deze methode kan worden toegepast in een quantumcomputer moet er echter nog wel wat gebeuren. “De hoeveelheid rek die ik heb toegepast was voldoende om aan te tonen dat het principe werkt, maar voor praktische toepassing heb je grotere krachten nodig.” Hoe je die het best op zulke kleine schaal kunt opwekken, daar zullen anderen zich over moeten buigen. Tholen gaat deze maand, zoals zoveel van zijn studiegenoten, aan de slag bij chipmachinemaker ASML.

Meer informatie

H.M.G.A. Tholen, Active manipulation of the g-tensor in semiconductor nanostructures (pdf). Eerste promotor: P.M. Koenraad (TU/e); tweede promotor: A. Rastelli (Johannes Kepler Universiteit, Linz).

Bron: Cursor