Voksende kvanteprikker i et almindeligt arrangement

Kvanteprikker kunne en dag udgøre de grundlæggende informationsenheder i kvantecomputere. I samarbejde med kolleger fra København og Basel har forskere fra Ruhr-Universität Bochum (RUB) og Münchens Tekniske Universitet (TUM) på afgørende vis forbedret fremstillingsprocessen for disse små halvlederstrukturer. Kvanteprikkerne genereres på en wafer:en tynd halvlederkrystalskive. Til dato har tætheden af ​​sådanne strukturer på waferen været svær at kontrollere. Nu kan forskere skabe specifikke arrangementer på en målrettet måde - et vigtigt skridt hen imod en anvendelig komponent, der forventes at have et stort antal kvanteprikker.

Holdet offentliggjorde sine resultater den 28. marts 2022 i tidsskriftet Nature Communications . Undersøgelsen blev udført af en gruppe ledet af Nikolai Bart, professor Andreas Wieck og Dr. Arne Ludwig fra RUB Chair of Applied Solid State Physics i samarbejde med holdet ledet af Christian Dangel og professor Jonathan Finley fra TUM Semiconductor Nanostructures and Quantum Systems forskergruppe og kolleger fra Københavns og Basel Universiteterne.

Som svampe i skoven

Kvanteprikker er snævert definerede områder i en halvleder, hvori for eksempel en enkelt elektron kan være indespærret. Dette kan manipuleres udefra, for eksempel med lys, så information kan lagres i kvanteprikken. Forskerne fra Bochum er eksperter i fremstilling af kvanteprikker. De skaber strukturerne på en wafer lavet af et halvledermateriale, der er omtrent på størrelse med en øl-coaster. Kvanteprikkerne har en diameter på kun omkring 30 nanometer.

”Vores kvanteprikker plejede at vokse som svampe i skoven,” som Andreas Wieck beskriver udgangssituationen. "Vi vidste, at de ville dukke op et sted på oblaten, men ikke præcis hvor." Forskerne valgte derefter en passende svamp i skoven til deres eksperimenter med kvanteprikkerne.

Foreløbige dyrkningsforsøg

I en række foreløbige eksperimenter havde holdet allerede forsøgt at påvirke væksten af ​​kvanteprikkerne på waferen. Fysikerne havde bestrålet waferen på individuelle punkter med fokuserede ioner og dermed skabt defekter i halvlederkrystalgitteret. Disse defekter virkede som kondensationskerner og fremkaldte væksten af ​​kvanteprikker. "Men ligesom dyrkede svampe smager noget kedelig, mens skovsvampe smager fantastisk, var de kvanteprikker, der blev skabt på denne måde, ikke så høj kvalitet som de naturligt dyrkede kvanteprikker," illustrerer Andreas Wieck. De udstrålede ikke lys så perfekt.

Derfor gik holdet videre med de naturligt voksede kvanteprikker. Til forsøgene blev den oblat på størrelse med ølskåner skåret i millimetersmå rektangler. De kunne ikke analysere hele waferen på én gang, fordi vakuumkammeret i RUB-apparatet simpelthen ikke var stort nok. Men forskerne observerede, at nogle waferrektangler indeholdt mange kvanteprikker, mens andre indeholdt få. "Først bemærkede vi ikke noget system bagved," husker Andreas Wieck - fordi forskerne aldrig så hele billedet.

Kvanteprikker af høj kvalitet

For at udforske spørgsmålet i dybden, samarbejdede Bochum-teamet med deres kolleger på TUM, som på et tidligt tidspunkt havde et måleapparat med et større prøvekammer til deres rådighed. Under disse analyser fandt gruppen ud af, at der var en mærkelig fordeling af områder med høj og lav kvantepunktstæthed på waferen. "Strukturerne mindede stærkt om et moiré-mønster, som ofte forekommer i digitale billeder. Jeg fik hurtigt tanken om, at det faktisk måtte være et koncentrisk mønster, dvs. ringe, og at disse kunne ses i sammenhæng med vores krystalvækst," forklarer Arne Ludwig. Målinger med højere opløsning viste faktisk, at tætheden af ​​kvanteprikker var fordelt koncentrisk. Efterfølgende bekræftede forskerne, at dette arrangement skyldtes fremstillingsprocessen.

I det første trin er waferen belagt med yderligere atomlag. På grund af belægningssystemets geometri skaber dette ringformede strukturer, der har et komplet atomlag, dvs. hvor der ikke mangler noget atom på noget tidspunkt i laget. Mellem ringene dannes tilsvarende brede områder, der mangler et komplet atomlag og dermed har en mere ru overflade, fordi enkelte atomer mangler. Dette har konsekvenser for kvanteprikkernes vækst. "For at holde fast i billedet:frem for på en betonbetonet overflade foretrækker svampe at vokse på skovbunden, dvs. på de ru pletter på oblaten," siger Andreas Wieck.

Forskerne optimerede belægningsprocessen, så de ru områder dukkede op med jævne mellemrum - på mindre end en millimeter - på waferen, og at ringene krydsede hinanden. Det resulterede i et nærmest skakbrætslignende mønster med kvanteprikker af høj kvalitet, som forskerne fra Basel og København demonstrerede. + Udforsk yderligere

Lys-stof-interaktion uden forringelse