14-08-2003
Quantenchips zum Abmalen

Auf ungewöhnliche Weise haben Forscher der Universität Cambridge winzige elektronische Bauelemente hergestellt: Sie zeichneten sie mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops auf einen Chip.

Bei den winzigen Bauelementen, die einmal in einem Quantencomputer zum Einsatz kommen könnten, spielen Quanteneffekte eine entscheidende Rolle: So zeigen "Quantenpunkte" - nanometergroße Inseln aus Halbleitermaterial - Ladungsquantisierung, weil auf ihnen nur eine bestimmte Zahl von Elektronen sitzen kann. Bei wiederum "Quantendrähten" ist die elektrische Leitfähigkeit quantisiert, da nur wenige Elektronenwellen gleichzeitig durch sie hindurchpassen.

Sollen diese Quantenbauelemente zu einem funktionierenden Ganzen verschaltet werden, so muss man sie äußerst präzise fertigen und aufeinander abstimmen. Mit den gängigen lithographischen Verfahren benötigt man indes Wochen, um solch ein Bauelement herzustellen und zu testen. Selbst kleine Nachbesserungen sind dann kaum noch möglich. Ein wesentlich schnelleres und flexibleres Verfahren haben Rolf Crook und seine Kollegen vom Cavendish Laboratorium in Cambridge entwickelt: Von der ersten Skizze bis zum optimierten Bauelement vergehen nur wenige Stunden.

Die Umrisse des Bauelements werden dabei auf die Oberseite einer 97 Nanometer dicken Schicht aus Galliumarsenid gezeichnet, unter der sich eine zweite Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid befindet. Die elektrischen Eigenschaften dieser beiden Halbleiter führen dazu, dass sich an der Grenzfläche zwischen beiden Schichten Elektronen ansammeln und ein zweidimensionales Elektronengas bilden. Innerhalb der Grenzfläche können sich die Elektronen ungehindert bewegen.

Die Ausdehnung des Elektronengases in der Grenzfläche kann man durch elektrische Ladungen beeinflussen, die auf der Oberfläche der Galliumarsenidschicht sitzen. Dazu haben die Forscher zwei streifenförmige Metallelektroden auf die Oberseite aufgedampft, so dass sie in einem Abstand von einem Mikrometer nebeneinander lagen. Wurden die Elektroden negativ geladen, so wirkten sie durch die nichtleitende Galliumarsenidschicht hindurch auf das Elektronengas und verdrängten es aus den unter ihnen liegenden Bereichen. Das Elektronengas sammelte sich in einem schmalen Kanal zwischen den Elektroden. Es war ein Quantendraht entstanden.

Anschließend positionierten die Forscher die Spitze eines Rasterkraftmikroskops unmittelbar über der Galliumarsenidoberfläche, und zwar genau zwischen die beiden Elektroden. Wurde die Spitze negativ geladen, so gingen Elektronen auf die Galliumarsenidoberfläche über. Es entstand ein winziger, negativ geladener Fleck. Da das Experiment bei einer Temperatur von 20 Millikelvin stattfand, bewegten sich die Elektronen kaum auf der Oberfläche, und der Ladungsfleck befand sich auch noch nach einer Woche an derselben Stelle. 

Elektronenkanal mit Loch: Zwischen den beiden Metallelektroden befindet sich ein negativer Ladungsfleck, der die Bewegung der Elektronen behindert. (Quelle: University of Cambridge)

Wie die negativen Elektroden, so verdrängte auch der negative Ladungsfleck das unter ihm liegende Elektronengas: Es bekam ein winziges Loch - gewissermaßen das Gegenteil eines Quantenpunktes. Dieser "Antiquantenpunkt" veränderte die Leitfähigkeit des Elektronengases, wie nachfolgende Messungen zeigten. Die Forscher haben auch kompliziertere Ladungsmuster auf die Galliumarsenidoberfläche gezeichnet und auf diese Weise Bauelemente mit anderen Eigenschaften hergestellt.

Hatten die gezeichneten Bauelemente nicht sogleich die gewünschten Eigenschaften, so konnten die Forscher sie durch leichte Retuschen mit der negativ geladenen Mikroskopspitze nachbessern. Sie konnten das Bauelement aber auch völlig auslöschen. Dazu bewegten sie die nun positiv geladene Mikroskopspitze wie einen Radiergummi über die Galliumarsenidoberfläche. Dank des neuen Verfahrens kann man jetzt auch komplizierte Bauelemente sehr schnell herstellen, untersuchen und optimieren. Vielleicht wird man ja den ersten Quantencomputer nicht bauen sondern "zeichnen".

Rainer Scharf

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