Quantumtoestanden germaneen te sturen met elektrisch veld

Onderzoekers hebben voor het eerst laten zien dat je quantumtoestanden in het ultrasmalle materiaal germaneen aan en uit kunt schakelen met alleen een elektrisch veld. Ze wisten heel precies de elektrische veldsterkte te wisselen, waardoor de bijzondere topologische toestanden in nanolinten verdwijnen of juist ontstaan.

De onderzoekers van de universiteiten van Utrecht en Twente laten hiermee zien dat ultrasmalle reepjes van het materiaal germaneen zomaar eens veelbelovend kunnen zijn. 

Germaneen lijkt qua vorm op grafeen. Het bestaat uit één laag germaniumatomen in een licht golvend patroon. In extreem smalle linten (2–4 hexagonen breed) ontstaan aan de uiteinden zogeheten zero-dimensionale topologische toestanden. Die zijn interessant als bouwstenen voor stabiele quantumbits, omdat ze van nature beschermder zijn tegen ruis dan normale quantumtoestanden.

Quantumtoestanden aan en uit zetten

Het onderzoek laat dus zien dat je tussen deze toestanden kan schakelen met een lokaal elektrisch veld. “We kunnen deze topologische eindtoestanden volledig onder elektrische controle brengen”, zegt auteur Esra van ‘t Westende van het onderzoek Electric-Field Control of Zero-Dimensional Topological States in Ultranarrow Germanene Nanoribbons dat werd gepubliceerd in Physical Review Letters. “Door de afstand tussen de scanning-tunnelingmicroscoop en het nanolint te wisselen, passen we het lokale elektrische veld aan. Daarmee schakelen we de quantumtoestand letterlijk aan of uit.”

Bij lage velden tonen de extreem smalle nanolinten een duidelijk meetbare eindtoestand. Wordt het veld sterker, dan verdwijnt deze toestand volledig. Bij bredere linten gebeurt juist het omgekeerde: die krijgen bij hogere elektrische velden ineens wel topologische eindtoestanden. Modellering bracht aan het licht hoe het elektrische veld de omschakeling activeert, en voorspelde dat smallere en bredere linten zich anders gedragen.

QuMat

Het onderzoek is onderdeel van het landelijke QuMat-programma, waarin Nederlandse universiteiten samenwerken aan nieuwe materialen voor quantumtechnologie. De samenwerking tussen de UT en de UU was intensief. “Dit project laat precies zien waarom we QuMat hebben: experimentele en theoretische groepen die samen nieuwe materialen ontwerpen voor toekomstige quantumapparaten”, aldus Pantelis Bampoulis van de Universiteit Twente.