Op of neer - Dirk van Delft

DELFTS TEAM MEET DRAAIRICHTING VAN EEN INDIVIDUEEL ELEKTRON

Een groep Delftse fysici is het gelukt langs elektrische weg de draairichting of spin van een enkel elektron te bepalen. Het is een nieuwe stap in de richting van een quantumcomputer.

`SPIN DOCTORS', noemen ze zich gekscherend, maar stemmingmakerij is de groep Delftse fysici die deze week in Nature staat vreemd. Spin is voor hen - ruwweg geformuleerd - het draaien van een elektron om zijn as. Volgens de quantumtheorie, die op microniveau de natuur regeert, kan dat slechts op twee zeer bepaalde manieren, linksom en rechtsom. Net als draaiende elektronen in een stroomspoel staat een tollend elektron voor een magneetje: de spin. In een situatie van een extern (van buitenaf aangelegd) magneetveld zijn er voor die spin twee mogelijkheden: hij kan met het veld mee gaan staan (parallel) of er tegenin (anti-parallel).



Foto-onderschrift:

Opname van een scanning electron microscope van de Delftse schakeling. De goudelektrodes (T, M, P, R en Q) zijn geel en liggen op het blauwe halfgeleideroppervlak. Negatieve spanningen op T, M en R creren de quantum dot (eilandje met een of meerdere elektronen), aangegeven met de stippelcirkel.Een spanningspuls op gate P kan een elektron ertoe brengen zich naar het reservoir links te verplaatsen (of andersom). Het quantum puntcontact (QPC) wordt gecreerd door negatieve spanningen op R en Q. Door een spanningsverschil tussen source en drain aan te leggen, en de stroom door het puntcontact te meten, valt na te gaan of een elektron in de quantum dot zich verplaatst heeft. In combinatie met het magnetische veld B verraadt dit de spinrichting van dat elektron. `Artist impression' van de Delftse nanoschakeling om de spinrichting van een individueel elektron te bepalen.

De grote prestatie van de Delftse fysici, met promovendus Jeroen Elzerman als eerste auteur, is dat met succes een techniek is ontwikkeld om de oriëntatie van een enkele spin te bepalen. Vanwege de minieme magnetische sterkte van een elektronspin is dat een heksentoer. Eerder scoorde de groep onder leiding van hoogleraar Leo Kouwenhoven al in toptijdschriften met ander baanbrekend werk betreffende het manipuleren van individuele elektronen. Deze en andere aansprekende Delftse prestaties op het gebied van nanofysica bracht de Kavli Foundation ertoe om 7,5 miljoen dollar te steken in het onlangs opgerichte Kavli Institute of Nanoscience Delft, waarin ook (theoretisch) fysici van de Universiteit Leiden participeren. Het is het eerste Kavli-instituut buiten de Verenigde Staten.

qubits
Het bepalen van de spinrichting van een individueel elektron is voor de Delftenaren een tussenstap. De bedoeling is op termijn in de vaste stof een quantumcomputer te construeren met spins als qubits. Zes jaar geleden kwamen de quantuminformatici Daniel Loss (Universität Basel) en David DiVincenzo (IBM Watson, Yorktown) met het voorstel een rij elektronspins in een magnetisch veld te benutten als quantumcomputer. Daarvoor is het nodig die spins aan elkaar te koppelen (verstrengelen) en ze bovendien in een superpositie (samengestelde toestand) te brengen van `parallel' en `anti-parellel' (`0' of `1')
tegelijk, iets wat alleen in de quantumwereld kan en dat ons, klassieke stervelingen, boven de pet gaat. Zo'n quantumcomputer voert zijn bewerkingen niet stap voor stap uit maar doet alles in één keer. Met als gevolg dat met een relatief bescheiden aantal qubits prestaties in beeld komen (zoals het kraken van een geheime code of het pijlsnel zoeken in een database) die onbereikbaar zijn voor een klassieke computer, uitgerust met bits die alleen op `0' of op `1' kunnen staan.

De weg naar zo'n Loss-DiVincenzo-quantumcomputer is nog lang: het verstrengelen en in een samengestelde toestand brengen van een serie elektronen is voorlopig nog een brug te ver. Maar met het manipuleren van individuele elektronen hebben Kouwenhoven en zijn team inmiddels flink ervaring. Ook zal de quantumcomputer, mocht het zover komen, na gedane arbeid uitgelezen moeten worden, wat neerkomt op het kunnen bepalen van individuele spins van deelnemende elektronen. Tot nu toe was daartoe geen werkbare methode beschikbaar, omdat de magnetische sterkte van de spin van een elektron zo miniem is. Elzerman cum suis is het als eerste toch gelukt - zij het via een omweg.

dots
In de Delftse nanoschakeling draait het om een aantal basiselementen. In de eerste plaats zijn dat goudelektrodes, draadjes met een dikte van circa 100 nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter) die op een halfgeleideroppervlak zijn gelegd. Door op sommige van die elektrodes negatieve spanningen te zetten, ontstaat een quantum dot. Dat is een kunstmatig eilandje (potentiaalput) in het laagje halfgeleidermateriaal, waarop het aantal aanwezige (vrije) elektronen valt te reguleren via het instellen van de spanningen op de elektrodes.

De groep van Kouwenhoven kan quantum dots met welgeteld één elektron maken, met vlak in de buurt een zogeheten quantum point contact (QPC). Zo'n QPC werkt als een nauw kanaaltje dat zeer gevoelig reageert op verandering van de elektrostatische lading in de directe omgeving. Eén elektron op de quantum dot erbij of eraf, en het kanaaltje gaat dicht of open. Meting van de stroom in de QPC verraadt aldus het weglekken of toestromen van een enkel elektron op de quantum dot. Dit alles speelt zich af bij temperaturen vlak boven het absolute nulpunt (-273 graden Celsius) om verstorende warmtebewegingen te dempen. De centrale constructie is enkele duizenden nanometers groot (om budgettechnische redenen hanteert men in deze wereld veel liever de term `duizenden nanometers' dan het equivalente `duizendsten van millimeters' in de mond te nemen).

Door in het vlak van de halfgeleiderlaag een krachtig uitwendig magneetveld aan te leggen (in de praktijk van 8 tot 14 Tesla) creëerde Elzerman een energieverschil tussen parallelle en anti-parallelle spins (het Zeemaneffect). Fijntunen van de voltages op de quantum dot leidt tot een situatie waarin de positie van het elektron direct samenhangt met de spintoestand: een parallelle spin zat gevangen in de quantum dot, terwijl een anti-parellelle spin door zijn kleine surplus aan energie kon ontsnappen naar een nabijgelegen elektronenreservoir. Door in real time de lading van de quantum dot te volgen, valt de spin te herleiden. Blijft de lading constant dan staat de spin parallel, zoniet dan staat die anti-parallel.

last
In de praktijk duurt het bij een veld van 8 Tesla zo'n 0,85 milliseconde eer een antiparallelle spin omklapt naar een parallelle (met een iets lagere energie). Dat is voor een omgeving van vaste stof opmerkelijk lang en duidt erop dat elektronspins in de Delftse aanpak betrekkelijk weinig last hebben van verstoring door hun nabije omgeving - reden te meer om dit systeem te benutten als quantumcomputer.

Volgende stap in het Delftse programma is het creëren van een samengestelde spintoestand. Dat experiment loopt inmiddels en meting van de coherentietijd, de periode waarin quantuminformatie niet te lijden heeft van de omgeving, zal moeten uitwijzen in hoeverre een quantumcomputer met elektronspins levensvatbaar is.