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Schaltkreise vom Zeichenbrett

Maßgeschneiderte Bauelemente für den Quantencomputer

Von Rainer Scharf

Noch weiß niemand, wie ein funktionsfähiger Quantencomputer aussehen wird, der mit Quantenzuständen statt mit herkömmlichen Bits rechnet. Doch schon jetzt steht fest, daß seine Bauelemente äußerst präzise gefertigt und aufeinander abgestimmt sein müssen. Ein neues Verfahren, mit dem man elektronische Bauelemente "zeichnen" und nachträglich verbessern kann, wird die Entwicklung von Schaltkreisen für den Quantencomputer beträchtlich vereinfachen.

Als Zeichenblock haben Rolf Crook und seine Kollegen von der Universität Cambridge in Großbritannien eine Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid verwendet, die mit einer knapp hundert Nanometer dünnen Schicht aus Galliumarsenid überzogen war. Die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften dieser Halbleitermaterialien führten dazu, daß sich an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten Elektronen ansammelten. Die Elektronen konnten die Grenzfläche nicht verlassen, sich aber ungehindert in ihr bewegen.

Weil die Forscher ein elektronisches Bauelement erhalten wollten, mußten sie nun die Beweglichkeit der Elektronen in der Grenzfläche einschränken. Dazu brachten sie zwei streifenförmige Metallelektroden so auf der Oberfläche der Galliumarsenidschicht an, daß zwischen ihnen ein knapp mikrometerbreiter Zwischenraum entstand. Wurden die Elektroden negativ aufgeladen, wirkte ihre elektrostatische Abstoßungskraft durch die Galliumarsenidschicht hindurch auf die Elektronen in der Grenzfläche. Diese wurden daraufhin aus den Bereichen unter den Metallelektroden verdrängt und in einem schmalen Kanal Zwischen den Elektroden konzentriert. Hier konnten sie sich wie in einem extrem dünnen Metalldraht bewegen, wie die Forscher in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift "Nature" berichten (Nature Bd. 424, S. 751).

Mit einem besonderen Zeichenstift wurden dem Bauelement die letzten Feinheiten hinzugefügt. Crook und seine Kollegen führten die extrem feine Spitze eines Rasterkraftmikroskops unmittelbar über die Galliumarsenidoberfläche, und zwar genau zwischen die beiden Elektroden. War die Spitze negativ geladen, so gingen Elektronen auf die Oberfläche über. Es entstand ein winziger negativer Ladungsfleck. Wurden die Spitze und die Halbleiterschichten auf zwanzig Millikelvin gekühlt, befand sich der Ladungsfleck auch nach einer Woche noch an derselben Stelle.

Wie die Metallelektroden stieß auch der Ladungsfleck die unmittelbar unter ihm in der Grenzschicht befindlichen Elektronen ab und schob sie beiseite. Der Elektronenkanal zwischen den Metallelektroden hatte ein winziges Loch bekommen. Dadurch veränderten sich seine elektrischen Eigenschaften. Seine elektrische Leitfähigkeit konnte nur noch bestimmte Werte annehmen, die stets ein Vielfaches eines universellen Leitfähigkeitsquantums betrugen.

Mit ihrem Zeichenstift haben die Forscher auch kompliziertere Bauelemente hergestellt, indem sie mehrere Punkte und Linien auf die Galliumarsenidoberfläche skizzierten. Hatten die gezeichneten Bauelemente nicht sogleich die gewünschten Eigenschaften, ließen sie sich durch leichte Retuschen mit der Mikroskopspitze nachbessern. Mißlungene Bauelemente ließen sich wieder spurlos auslöschen. Dazu bewegten die Wissenschaftler die nun positiv geladene Mikroskopspitze wie einen Radiergummi über die Oberfläche.

Während man mit den gängigen lithographischen Verfahren Wochen dazu benötigt, ein Bauelement herzustellen und zu testen, ist die "löschbare elektrostatische Lithographie" recht schnell: Von der ersten Skizze bis zum optimierten Bauelement vergehen nur wenige Stunden. Außerdem ist die neue Methode flexibler und erlaubt es, Bauelemente schrittweise zu optimieren und aufeinander abzustimmen. Diese Vorzüge werden die Entwickler von Quantencomputern zu schätzen wissen. 

Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 15.08.2003, Nr. 188 / Seite 34

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