Ein Rezept für skalierbare Quantenpunkte

Bei Quantenpunkten handelt es sich um Halbleiterstrukturen im Nanobereich mit einzigartigen Eigenschaften, die verschiedene potenzielle Anwendungen in Bereichen wie Displaytechnik, Photovoltaik und Quantencomputer versprechen. Die herkömmlichen Methoden zur Herstellung von Quantenpunkten, die auf chemischer Synthese oder Epitaxie beruhen, beeinträchtigen jedoch die Aussichten auf die Skalierbarkeit dieser Strukturen. Eine weitere Herausforderung bei Quantenpunkten ist insbesondere für photonische Quantencomputeranwendungen relevant: Quantenpunkte sind ausgezeichnete Einzelphotonenquellen, aber Photonen interagieren nicht auf natürliche Weise miteinander, wie es normalerweise für die Informationsverarbeitung erforderlich wäre. Vielversprechende Vermittler von Photonen-Photonen-Wechselwirkungen sind Exzitonen, gebundene Elektron-Loch-Paare, die eine entscheidende Rolle bei Licht-Materie-Wechselwirkungen spielen. Die präzise und skalierbare Kontrolle von Exzitonen, die in Halbleiter-Heterostrukturen wie Quantenpunkten eingeschlossen sind, ist seit langem ein Thema in der Festkörperoptik.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Puneet Murthy von der ETH Zürich und Dr. Thibault Chervy von NTT Research, Inc. Physics & Informatics Laboratories (USA), hat nun die erfolgreiche Quantenkontrolle von Exzitonen in zweidimensionalen Halbleitern gemeldet. In einem in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlichten Artikel beschreiben die Forscher, wie sie Exzitonen in verschiedenen Geometrien, einschliesslich Quantenpunkten und Quantenringe, durch Anlegen elektrischer Felder über lithografisch nanostrukturierte Gate-Elektroden einschliessen, um die Bewegung von Exzitonen auf einschichtigen Übergangsmetall-Dichalcogenid-Halbleitern zu steuern. "Bei herkömmlichen Methoden landen die Quantenpunkte an zufälligen Positionen und haben eine breite Energieverteilung. Wir haben gezeigt, wie man Quantenpunkte erzeugen kann, indem man Elektroden mit der richtigen Form in der Nähe eines Halbleitermaterials anbringt", sagt Murthy, dessen Forschungsgruppe zum Institut für Quantenelektronik gehört. Das Team konnte nicht nur bestimmen, wo der gewünschte quantenpunktartige Einschluss für die Exzitonen erzeugt wird, sondern auch die Abstimmbarkeit der Wellenlänge der Quantenpunkte durch Variation der an den Elektroden angelegten Spannung demonstrieren. Dieser Ansatz ist unglaublich vielseitig: Durch Veränderung der Struktur der Gate-Elektroden konnte das Team verschiedene Einschlussgeometrien realisieren, wobei Quantenpunkte und Ringe die wichtigsten sind.

Die Arbeit von Murthy und den Co-Autoren befasst sich ausserdem mit der Frage der Skalierbarkeit, indem sie zeigen, wie die richtigen Spannungen an jeder Elektrode in einem Array von Quantenemittern es ermöglichen, mehrere Quantenpunkte auf dieselbe Energie zu bringen, was für künftige Anwendungen von grosser Bedeutung ist. "Für das photonische Quantencomputing brauchen wir eine Architektur, die bis zu Tausenden von identischen Quantenpunkten skaliert werden kann, die als Einzelphotonenquellen fungieren. Deshalb ist die elektrische Kontrolle so wichtig", sagt Chervy. "Unsere Architektur unterscheidet sich in der Art nicht von einem Transistor - schliesslich halten wir ein wohldefiniertes Spannungspotential über einem winzig kleinen Übergang."

Die Forscher glauben, dass ihre Arbeit neue Forschungsrichtungen eröffnet, sowohl im Bereich der Grundlagenforschung als auch in der Anwendung. So stellt sich Murthy beispielsweise eine Anordnung von hundert identischen Quantenpunktquellen vor, die in einem optischen Hohlraum zur Emissionskontrolle platziert sind und starke, durch Exzitonen vermittelte Wechselwirkungen zwischen den Photonen aufweisen: Dieses System könnte den Zugang zum Bereich der Quanten-Vielteilchen-Photonik ermöglichen und die Suche nach schwer fassbaren kollektiven photonischen Phasen erleichtern.

Dieser Artikel basiert auf externe Seite der Pressemitteilung von NTT Research, Inc. und auf externe Seite dem Blog-Artikel von Professor Murthy und Dr. Chervy, der für die Website von NTT Research, Inc. geschrieben wurde.

Übersetzt aus dem Englischen von Kilian Kessler