Der Schlüssel zur Entwicklung der Quantenelektronik könnte einige Tücken haben. Laut einem Team unter der Leitung von Forschern der Pennsylvania State University ist das jedoch kein Nachteil, wenn es um die präzise Steuerung geht, die zur Herstellung und Bedienung solcher Geräte, darunter hochentwickelte Sensoren und Laser, erforderlich ist.
Die Forscher haben einen Schalter hergestellt, mit dem sich Knickzustände, elektrische Leitungsbahnen am Rand von Halbleitermaterialien, ein- und ausschalten lassen. Indem sie die Bildung der Knickzustände kontrollieren, können die Forscher den Elektronenfluss in einem Quantensystem regulieren.
„Wir stellen uns den Bau eines Quantencomputers vor. verbinden Netzwerk, das die Knickzustände als Rückgrat verwendet“, sagte Teamleiter Jun Zhu, Professor für Physik an der Penn State. Zhu ist auch mit dem Center for 2-Dimensional Layered Materials der Penn State verbunden.
„Ein solches Netzwerk könnte dazu verwendet werden, Quanteninformationen auf einem Chip über weite Distanzen zu übertragen. Ein klassischer Kupferdraht wäre hierfür nicht geeignet, da er einen Widerstand aufweist und daher die Quantenkohärenz nicht aufrechterhalten kann.“
Das Werk, erschienen in Wissenschaftbietet Forschern möglicherweise eine Grundlage für die weitere Untersuchung von Knickzuständen und ihrer Anwendung in Geräten der Elektronenquantenoptik und Quantencomputern.
„Dieser Schalter funktioniert anders als ein herkömmlicher Schalter, bei dem der elektrische Strom durch ein Tor geregelt wird, ähnlich wie der Verkehr durch eine Mautstelle“, sagte Zhu. „Hier entfernen und bauen wir die Straße selbst neu.“
Knickzustände existieren in einem Quantengerät, das aus einem Material namens Bernal-Doppelschichtgraphen gebaut wurde. Dieses besteht aus zwei Schichten atomar dünnen Kohlenstoffs, die so übereinander gestapelt sind, dass die Atome in einer Schicht nicht mit den Atomen in der anderen ausgerichtet sind. Diese Anordnung erzeugt zusammen mit der Verwendung eines elektrischen Felds ungewöhnliche elektronische Eigenschaften – darunter den Quantental-Hall-Effekt.
Dieser Effekt bezieht sich auf das Phänomen, dass Elektronen unterschiedliche „Talzustände“ einnehmen – identifiziert anhand ihrer Energie im Verhältnis zu ihrem Impuls – und sich außerdem in entgegengesetzte Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen bewegen. Kink-Zustände sind Manifestationen des Quantental-Hall-Effekts.
„Das Erstaunliche an unseren Geräten ist, dass wir dafür sorgen können, dass Elektronen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, nicht miteinander kollidieren – was als Rückstreuung bezeichnet wird –, obwohl sie dieselben Bahnen nutzen“, sagte der Erstautor Ke Huang, ein Doktorand, der unter Zhus Betreuung an der Penn State in Physik promoviert.
„Dies entspricht der Beobachtung eines ‚quantisierten‘ Widerstandswerts, der für die mögliche Anwendung der Knickzustände als Quantendrähte zur Übertragung von Quanteninformationen von entscheidender Bedeutung ist.“
Das Zhu-Labor hat zwar bereits zuvor über Kink-Zustände publiziert, die Quantisierung des Quantental-Hall-Effekts ist ihnen in der aktuellen Arbeit allerdings erst gelungen, nachdem sie die elektronische Sauberkeit der Geräte verbessert hatten. Das bedeutet, sie haben Quellen entfernt, die eine Kollision von in entgegengesetzte Richtungen bewegten Elektronen ermöglichen könnten.
Dies gelang ihnen, indem sie einen sauberen Stapel aus Graphit und hexagonalem Bornitrid als globales Gate – also als Mechanismus, der den Elektronenfluss ermöglicht – in die Geräte integrierten.
Sowohl Graphit als auch hexagonales Bornitrid sind Verbindungen, die häufig als Schmiermittel für Farben, Kosmetika und mehr verwendet werden. Graphit leitet Elektrizität gut, während hexagonales Bornitrid ein Isolator ist. Die Forscher nutzten diese Kombination, um Elektronen in den Knickzuständen zu halten und ihren Fluss zu kontrollieren.
„Der Einbau eines Graphit/hexagonalen Bornitrid-Stapels als globales Gate ist für die Beseitigung der Elektronenrückstreuung von entscheidender Bedeutung“, sagte Huang und merkte an, dass die Verwendung dieses Materials der wichtigste technische Fortschritt der aktuellen Studie sei.
Die Forscher stellten außerdem fest, dass die Quantisierung der Knickzustände auch dann erhalten bleibt, wenn die Temperatur auf mehrere zehn Kelvin, die wissenschaftliche Einheit für Temperatur, erhöht wird. Null Kelvin entspricht -460 Grad Fahrenheit.
„Quanteneffekte sind oft fragil und überleben nur bei kryogenen Temperaturen von einigen Kelvin“, sagte Zhu. „Je höher die Temperatur, bei der wir das erreichen, desto wahrscheinlicher ist es, dass es in Anwendungen genutzt werden kann.“
Die Forscher testeten den von ihnen gebauten Schalter experimentell und stellten fest, dass er den Stromfluss schnell und wiederholt steuern konnte. Dies ergänzt das Arsenal an auf Knickzuständen basierenden Quantenelektronik-Widgets, die dabei helfen, Elektronen zu steuern und zu lenken – Ventile, Wellenleiter, Strahlteiler –, die zuvor vom Zhu-Labor gebaut wurden.
„Wir haben ein Quantenautobahnsystem entwickelt, das Elektronen ohne Kollision transportieren kann, so programmiert werden kann, dass es den Stromfluss steuert, und das potenziell skalierbar ist – all das legt eine solide Grundlage für zukünftige Studien, die die Grundlagenforschung und die Anwendungspotenziale dieses Systems erforschen“, sagte Zhu. „Natürlich haben wir noch einen langen Weg vor uns, um ein Quantenverbindungssystem zu realisieren.“
Zhu wies darauf hin, dass das nächste Ziel ihres Labors darin bestehe, zu demonstrieren, wie sich Elektronen wie kohärente Wellen verhalten, wenn sie auf den Kink State Highways unterwegs sind.
Mehr Informationen:
Ke Huang et al., Hochtemperatur-Quantental-Hall-Effekt mit quantisiertem Widerstand und einem topologischen Schalter, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.adj3742