Een pad naar nieuwe kwantumapparaten: elektrisch gedefinieerde kwantumstippen in zinkoxide

Onderzoekers hebben met succes elektrisch gedefinieerde kwantumdots gecreëerd in heterostructuren van zinkoxide (ZnO), wat een belangrijke mijlpaal markeert in de ontwikkeling van kwantumtechnologieën.

Details van hun doorbraak waren gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie op 7 november 2024.

Kwantumdots, kleine halfgeleiderstructuren die elektronen kunnen vasthouden in ruimtes op nanometerschaal, worden al lang bestudeerd vanwege hun potentieel om als qubits in kwantumcomputers te dienen. Deze punten zijn cruciaal voor kwantumcomputers omdat ze wetenschappers in staat stellen het gedrag van elektronen te controleren, vergelijkbaar met hoe een geleider een stroom water die door pijpen stroomt, kan controleren.

Tot nu toe heeft het meeste onderzoek zich geconcentreerd op materialen als galliumarsenide (GaAs) en silicium. Zinkoxide, een materiaal dat bekend staat om zijn sterke elektronencorrelatie en uitstekende spin-kwantumcoherentie, was echter nog niet onderzocht voor gebruik in elektrisch gedefinieerde kwantumdots, dat wil zeggen die gemaakt en bestuurd met behulp van elektrische methoden.

In deze studie kon het onderzoeksteam de interne toestanden van kwantumdots in zinkoxide manipuleren met behulp van nauwkeurige spanningsregeling, zoals het aanpassen van de knoppen op een radio om een ​​signaal te verfijnen. Deze innovatie stelde hen in staat de Coulomb-diamant te observeren, een belangrijk kenmerk van kwantumdots, dat inzicht verschafte in het gedrag van elektronen die erin gevangen zitten.

‘De Coulomb-diamant is als een vingerafdruk die helpt bij het identificeren van de unieke ‘persoonlijkheid’ van elke kwantumdot’, zegt Tomohiro Otsuka, universitair hoofddocent aan de Tohoku Universiteit en corresponderend auteur van het artikel. “Door zinkoxide te gebruiken, openen we nieuwe grenzen door efficiënte en stabiele qubits te ontwikkelen, een hoeksteen voor quantum computing.”

Een van de meest opmerkelijke bevindingen van dit onderzoek was de ontdekking van het Kondo-effect in zinkoxide-kwantumdots. Het Kondo-effect, een kwantumfenomeen waarbij elektroneninteracties geleiding creëren, hangt doorgaans af van het aantal elektronen in de kwantumdot. In zinkoxide namen de onderzoekers dit effect echter waar, zelfs als het aantal elektronen niet in het gebruikelijke patroon paste. Dit nieuwe gedrag, gekoppeld aan de sterke elektronencorrelatie van het materiaal, voegt een extra laag van complexiteit en potentieel toe aan op zinkoxide gebaseerde kwantumapparaten.

“Het Kondo-effect dat we hebben waargenomen is anders dan wat we doorgaans zien in andere halfgeleiders zoals GaAs”, voegt Otsuka toe. “Dit verschil zou ons kunnen helpen het elektronengedrag in dit nieuwe materiaal beter te begrijpen en ons vermogen om qubits te controleren en te manipuleren te verbeteren.”

Vooruitkijkend richt het team zich op het benutten van deze nieuwe bevindingen om praktische kwantumapparaten te ontwikkelen.