17 feb. 1999
3 minuten
Onderzoekers van de TU Delft zijn er in geslaagd om individuele elektronen één voor één op te schuiven in een rijtje en aan het einde van dat rijtje uit te lezen; en dit zonder dat hun toestand daarbij wordt veranderd. Deze vaardigheid kan een belangrijke stap zijn in de ontwikkeling van een (toekomstige) kwantumcomputer.
"Dit vakgebied, spintronics, gaat over het precies opslaan, transporteren en manipuleren van elektronen en hun spin", legt onderzoeker Tim Baart van de TU Delft uit. De spin van een elektron is, zeer versimpeld, te zien als de rotatierichting van dat elektron, linksom of rechtsom. "Je kunt de spin van een individueel elektron gebruiken om informatie in op te slaan. De spintoestand staat dan voor een digitale 0 of 1".
"Spintransport van heel veel elektronen tegelijk over relatief grote afstanden, is al mogelijk. En ook het gecontroleerd transporteren van een individueel elektron door halfgeleidermateriaal is al routine. Maar het transporteren van individuele elektronen met het behoud van hun spin over grote afstanden was nog niet eerder gelukt."
CCD
"Om dit te realiseren, hebben we iets gemaakt dat heel vergelijkbaar is met de werking van een zogenoemde CCD (bekend van onder meer CCD-camera’s), maar dan op veel kleinere schaal", vervolgt Baart. "We kunnen zo’n CCD op het niveau van een enkel elektron aansturen en zelfs de spintoestand van dat elektron manipuleren en behouden terwijl we hem over grote afstanden door een CCD laten shuttlen."
In een CCD worden pakketjes elektrische lading doorgegeven via een reeks van condensatoren, enigszins vergelijkbaar met een bucket brigade, een rij mensen die emmers water doorgeven bij het blussen van een brand. De pakketjes lading arriveren één voor één aan het einde van de rij, waar ze vervolgens worden geregistreerd door een versterker. Dit simpele concept werkt uitstekend voor CCD-camera’s met miljoenen pixels.
"Onze variant op dit concept noemen we een ‘single-spin CCD’. Deze kan elektronen één voor één verschuiven langs een rijtje, zonder dat de spin van die elektronen verandert; aan het eind van de rij wordt de spin vervolgens uitgelezen", zegt Baart, die samen met zijn collega Mohammad Shafiei ‘eerste auteur’ van een artikel pver dit onderzoek is.
Rijtje kwantumdots
Het ‘rijtje’ bestaat in dit geval uit drie zogenoemde kwantumdots (te zien als kunstmatige atomen waarin steeds één elektron is opgesloten). Zoals in een CCD, worden de drie elektronen steeds een stap opgeschoven (door het aanbrengen van elektrische velden) naar het einde van de keten (waar ze worden uitgelezen door een ander kwantumdot).
"Ook kunnen we de drie spins manipuleren," zegt Baart, "en daarmee dus informatie ‘schrijven’. Bovendien hebben we laten zien dat het honderden keren heen en weer schuiven van een elektron, vrijwel geen invloed heeft op zijn spin. Dit betreft een totale verplaatsing van 80 μm. Als we dit concept kunnen uitbreiden naar veel grotere rijen, liggen er diverse toepassingen in het verschiet, vooral het uitvoeren van kwantumberekeningen. Controle over de spintoestand is immers cruciaal voor het maken van een grootschalige kwantumcomputer."
Over het onderzoek verscheen het artikel Single Spin CCD in Nature Nanotecnology
Auteurs: T.A. Baart, M. Shafiei, T. Fujita, C. Reichl, W. Wegscheider en L.M.K. Vandersypen.
Zie ook:
Anderen lazen ook
