Spin-Nanosysteme führen zu einem neuen Typ von Quantenbit
Die rasanten Fortschritte, die auf dem Feld der Kristallzüchtung und bei der verbundenen Gerätetechnologie erzielt werden, eröffnen völlig neue Möglichkeiten. Dies macht sich vor allem bei der Entwicklung ultrakleiner Strukturen bemerkbar, deren Materialeigenschaften sich in der Größenordnung von Nanometern beeinflussen lassen. Diese intensiven Forschungen werden angestellt, da Festkörper-Nanostrukturen einzigartige optische und elektronische Eigenschaften aufweisen und so potentiell eine neue Generation technologischer Geräte begründen könnten. In diesem Bereich konzentrieren sich Forscher insbesondere auf die Spin-Eigenschaften innerhalb der Nanostrukturen, um letztendlich mithilfe von Spin-Nanosystemen beispielsweise zuverlässige Quantenbits (Qubits) zu entwickeln, mit denen eines Tages gewaltige Datenmengen gespeichert werden könnten. Vor diesem Hintergrund wurden im EU-geförderten Projekt S^3NANO mit Erfolg neuartige, innovative Quantenbits entwickelt, die laut den Forschern als Informationseinheiten für die Quantencomputer der Zukunft dienen könnten. Bei S^3NANO, dessen wichtigste Ergebnisse kürzlich in vollem Umfang veröffentlicht wurden, handelte es sich um ein Netzwerk für wissenschaftliche Studien und Forscher. Es wurden verfügbare Studien zur Entwicklung neuer Gerätekonzepte aus dem Bereich der Festkörper-Nanosysteme sowie ein internationales Team aus führenden Forschern und Einrichtungen zusammengebracht. Im Lauf von vier Jahren wurden in diesem „Netzwerk für Festkörper-Nanosysteme mit wenigen verschiedenen Spins“ über Forschungsarbeiten, Austauschprogramme und Schulungen zahlreiche Durchbrüche hinsichtlich des Wissens über und der Nutzung von nanoskaligen Systemen für zukünftige Geräte erreicht. Die Antwort liegt im Nichts Vor S^3NANO waren Qubits nur in Form einzelner Elektronen verfügbar. Um diese elektronenbasierten Qubits zu erzeugen, muss ein Elektron in einem sogenannten Quantenpunkt eingeschlossen werden – einer winzigen Halbleitermaterialstruktur, in dem das Elektron rotiert, bis ein kleiner Permanentmagnet entsteht. Die Forscher können den Spin über ein externes Magnetfeld beeinflussen, und durch Manipulation der Richtung des Spins können Informationen kodiert werden. Obwohl diese Entwicklung allein schon einen großen Durchbruch darstellt, sind noch Probleme zu lösen: Bei elektronenbasierten Qubits entstehen durch die Elektronen selbst Interferenzen, durch welche die Datenträger schwer beschrieben und gelesen werden können. Daher ist ein besseres Verfahren erforderlich. Der nächste Schritt bestand für die S^3NANO-Mitglieder im Finden einer Lösung. Sie konnten das Problem schließlich umgehen, indem sie Elektronenfehlstellen und nicht die Elektronen selbst als Qubits nutzten. Anstatt einzelne Elektronen im Quantenpunkt einzuschließen, entschied sich das Team dazu, bestimmte Elektronen zu entfernen. So bildeten sich in der Elektronenstruktur positiv geladene Fehlstellen, sogenannte Elektronenlöcher. Da auch Elektronenlöcher über einen Spin verfügen, können sie ebenso über ein Magnetfeld manipuliert werden, um Informationen zu speichern. Doch im Gegensatz zu Elektronen sind Elektronenlöcher positiv geladen, d. h. sie sind nicht an positive Atomkerne gekoppelt und werden so kaum durch die Interferenzen gestört, die aus dem nuklearen Spin entstehen. Die Forschung geht weiter Die Forscher sind von den im Projekt entwickelten hochwertigen Quantenpunkten überzeugt und betonen, dass diese einen wichtigen Schritt auf das Ziel hin bedeuten, reproduzierbare, auf Quantenbits basierende Komponenten herstellen zu können. Elektronenlöcher werden jedoch leichter als Elektronen durch hohe Temperaturen gestört, weshalb sie nur in kalten Umgebungen angewendet werden können. Um auch dieses Problem zu beheben und die in S^3NANO geleistet Arbeit weiterzuführen, wurde im Jahr 2016 ein weiteres Netzwerk gegründet. Am „Marie Sklodowska-Curie ITN Spin-NANO Network“ sind derzeit 15 Doktoranden beteiligt. Weitere Informationen: S^3NANO-Projektwebsite
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Vereinigtes Königreich
