Durch akustische Oberflächenwellen gesteuerte Manipulation von Quantenzuständen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Quantenpunkte sind künstlich hergestellte niedrig dimensionale Halbleiterstrukturen, in denen die elektronischen Zustände wohl definierte Energieniveaus darstellen, ähnlich wie bei Atomen. In den Halbleiter Quantenpunkten können die Energiezustände jedoch im Gegensatz zu Atomen oft durch von außen angelegte elektrische Potenziale gesteuert werden. Besonders interessant werden dann Systeme aus so genannten gekoppelten Quantenpunkten. Um die atomare Analogie weiter zu venvenden, handelt es sich hierbei also um etwas wie künstliche Moleküle. Gelingt es, die elektronischen Zustände aller beteiligten Quantenpunkte getrennt und unabhängig voneinander zu kontrollieren, so können hoch komplexe Energiezustände eingestellt und manipuliert werden, die in überlagerter Form u.U. so genannte ,Quantenbits' oder qbits darstellen, der Informationseinheit in der Quanten-Informationstheorie. Durch die in diesem Fall nicht einfach aus ,null' und ,eins' bestehenden bits, die auch quantenmechanische Überlagerungen der beteiligten Quantenzustände erlauben, wird so genannten Quantencomputern eine fantastische Zukunft für spezielle Rechenoperationen vorhergesagt, die mit konventionellen Computern nie zu erreichen wären. Im hier vorgestellten Projekt wurden solche Doppelquantenpunkte mit nanotechnologischen Methoden hergestellt und in vielen Einzelexperimenten eingehend charakterisiert. Ein besonderer Aspekt des hier beschriebenen Projekts ist, dass die (überlagerten) Quantenzustände auch noch zusätzlich durch ,Nanoerdbeben' auf dem Chip, so genannte akustische Oberflächenwellen akustisch manipuliert werden können. Diese Wellen werden auf demselben Chip angeregt, auf dem sich auch die Quantenpunkte für die qbits befinden. Diese werden elektrisch kontaktiert, um die gewünschten Quantenzustände einzustellen und dann zusätzlich einem akustischen Wellenfeld ausgesetzt. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, einzelne Elektronen oder auch Ensembles in den Quantenpunkten zu transportieren und dadurch akustisch zu beeinflussen. Besonders interessant an dieser Fragestellung ist es, dass die akustischen Prozesse im Allgemeinen sehr schnell von statten gehen, da die Oberflächenwellen Eigenfrequenzen von mehreren Gigahertz haben. Es konnte im Vergleich mit theoretischen Betrachtungen gezeigt werden, dass die beiden untersuchten Quantenpunkte in der Tat stark gekoppelt sind und sich somit ihre Energieniveaus gegenseitig deutlich beeinflussen. Es konnte weiter gezeigt werden, dass eine akustische Oberflächenwelle einen großen Einfluss auf den Ladungstransport durch den Doppelquantenpunkt hat. Besonders überraschend wurde unter bestimmten experimentellen Bedingungen sogar ein Vorzeichenwechsel des akustoelektrischen Stroms durch den Quantenpunkt beobachtet. Dieser überraschende Effekt kann zum einen anhand eines adiabatischen Stromtransports wie auch als ein Oberflächenwellen induzierter Ratscheneffekt erklärt werden. Das hier beschriebene Forschungsprojekt bot die Möglichkeit, das sehr komplexe Wechselspiel zwischen den elektronischen Zuständen so genannter Doppelquantenpunkte, die gezielt getrennt voneinander elektrisch eingestellt werden sollten, eingehend zu studieren und auf ihre Eignung für die Venwendung als qbits zu untersuchen. Neben der erfolgreichen Realisierung solcher Doppelquantenpunktsysteme und dem Nachweis, dass sie als qbits funktionieren, sollte untersucht werden, inwieweit sich so genannte akustische Oberflächenwellen dazu eignen, die elektrisch präparierten Zustände auf sehr kurzen Zeitskalen (GHz) weiter akustisch zu manipulieren. Obwohl wir in unserem Projekt praktisch alle ,Einzelteile' der beschriebenen ambitionierten Proben und der Experimente daran erfolgreich herstellen und demonstrieren konnten, blieb es uns leider versagt, ein funktionsfähiges Komplettsystem herzustellen. Der präparative Aufwand, ein elektrisch abstimmbares Doppelquantenpunktsystem mit allen Eigenschaften eines qbit Systems herzustellen, es bei tiefen Temperaturen zu charakterisieren und dann auch noch akustisch zu manipulieren, wurde von uns für die zur Verfügung stehende Zeit unterschätzt. Dennoch gelang es uns, wichtige und wertvolle Beiträge zum Verständnis der avisierten Systeme zu leisten und auch technologisch ganz erhebliche Fortschritte zu erzielen. Wir werden die begonnenen und kurz vor dem Ziel stehenden Arbeiten an diesem innovativen, hoch interessanten aber auch sehr ambitionierten Forschungsprojekt weiterführen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Theoretical and experimental investigations of Coulomb blockade in coupled quantum dot systems", J. Phys.: Condens. Matter, 20, 374108 (2008)
F. J. Kaiser, S. Kohler, P. Hänggi, M. Malecha, J. Ebbecke, A. Wixforth, H. W. Schumacher, B. Kästner, D. Reuter und A. D. Wieck
