Elektronenspin manipuleren

De spin van elektronen opgesloten in kwantumdots zou gebruikt kunnen worden als bit voor een kwantumcomputer. Promovendus Hans Tholen van de TU/e onderzocht of je die spin kunt manipuleren door de kwantumdot in een nanodraad te onderwerpen aan trekkrachten. Tholen gaat deze maand aan de slag bij chipmachinemaker ASML.

Het manipuleren van elektronspin kan in principe met een magneetveld. Tholen: "Het nadeel daarvan is echter dat het ondoenlijk is om individuele kwantumdots 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 kwantumdots juist superklein zijn - zo'n tien nanometer." Daarom is het praktisch onmogelijk om voor elke kwantumdot een ‘eigen' magneetveld aan te leggen.

 

Voor zijn promotieonderzoek ging Tholen daarom uit van min of meer het omgekeerde: hij hield het magneetveld constant en probeerde aan te passen hoe de dot 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 dot is gemaakt. "Die kun je aanpassen met een mechanische spanning; door de kwantumdot iets in te drukken of uit te rekken."

 

Tholen onderzocht onder meer kwantumdots in nanodraden - een soort minuscule pilaartjes. "Die 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."

Gelukkig bleek volgens Tholens berekeningen de component van het magneetveld loodrecht op het oppervlak van de kwantumdot, 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.

 

Piëzo

Tholen bevestigde dit in de praktijk door een nanodraad op een piëzo te bevestigen en een tiende procent uit te rekken. "Dat deden we middenin een supergeleidende elektromagneet, gekoeld met vloeibaar helium in een twee meter hoge cryostaat."

 

Het resultaat las hij af 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.

 

Voordat deze methode kan worden toegepast in een kwantumcomputer 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.

 

20201217_Tholen.