Einheitliche Quantenpunkte hergestellt

Aus einzelnen Atomen baute ein internationales Forscherteam um Stefan Fölsch vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Berlin identische Quantenpunkte auf. Solche mikroskopisch kleinen Objekte perfekt zu reproduzieren, wäre beispielsweise für die Nanooptik oder Quanteninformationsverarbeitung interessant. Ihre Ergebnisse veröffentlichte das Forscherteam in der Zeitschrift „Nature Nanotechnology“.

Gekoppelte Quantenpunkte

Quantenpunkte werden oft als künstliche Atome bezeichnet, denn die Elektronen darin besitzen – genau wie in realen Atomen – quantisierte Zustände mit diskreten Energien. Doch während Atome identisch sind, bestehen herkömmliche Quantenpunkte aus Hunderten bis zu Tausenden von Atomen, was zu unvermeidlichen Schwankungen in ihrer Größe und Form und damit ihren physikalischen Eigenschaften führt. „Für Anwendungen wie zum Beispiel den Quantencomputer ist es erforderlich, die Größe von Quantenpunkten – und damit deren Quantenzustand – genau kontrollieren zu können“, erklärt Fölsch.

Die Wissenschaftler um Fölsch setzten Quantenpunkte nun Atom für Atom zusammen. Als Unterlage diente ihnen dabei ein Halbleiterkristall aus den Elementen Indium und Arsenid, dessen Oberfläche ein regelmäßiges Muster von Indium-Leerstellen aufweist. Dadurch sind die möglichen Positionen der zu platzierenden Atome vorgegeben, erläutert das Team. Gleichzeitig liegen auf der obersten Schicht zusätzliche, positiv geladene Indiumatome in ungeordneter Form vor. 6 bis 25 solcher Atome ordneten Fölsch und seine Kollegen mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops in Form von linearen Ketten an.

„Die positiv geladenen Indiumatome bilden einen Quantenpunkt aus, indem sie Elektronen binden und quantisieren, die normalerweise der Oberfläche des Indium-Arsenid-Kristalls zuzuordnen sind“, erklärt Koautor Steve Erwin vom Naval Research Laboratory in den USA. Und da die möglichen Positionen der Indiumatome durch das regelmäßige Gitter der Leerstellen vorgegeben sind, ist jeder Quantenpunkt aus einer festen Anzahl linear angeordneter Atome praktisch identisch, ohne jegliche Schwankung in seiner Größe oder Form.