Kvantprickar kan en dag utgöra kvantdatorernas grundläggande informationsenheter. I samarbete med kollegor från Köpenhamn och Basel har forskare från Ruhr-Universität Bochum (RUB) och Münchens tekniska universitet (TUM) avsevärt förbättrat tillverkningsprocessen för dessa små halvledarstrukturer. Kvantprickarna genereras på en wafer:en tunn halvledarkristallskiva. Hittills har tätheten av sådana strukturer på skivan varit svår att kontrollera. Nu kan forskare skapa specifika arrangemang på ett riktat sätt - ett viktigt steg mot en tillämplig komponent som förväntas ha ett stort antal kvantprickar.

Teamet publicerade sina resultat den 28 mars 2022 i tidskriften Nature Communications . Studien genomfördes av en grupp ledd av Nikolai Bart, professor Andreas Wieck och Dr. Arne Ludwig från RUB Chair of Applied Solid State Physics i samarbete med teamet ledd av Christian Dangel och professor Jonathan Finley från TUM Semiconductor Nanostructures and Quantum Systems forskargrupp och kollegor från universiteten i Köpenhamn och Basel.

Som svampar i skogen

Kvantpunkter är snävt definierade områden i en halvledare där till exempel en enstaka elektron kan begränsas. Detta kan manipuleras utifrån, till exempel med ljus, så att information kan lagras i kvantpunkten. Forskarna från Bochum är experter på framställning av kvantprickar. De skapar strukturerna på en wafer gjord av ett halvledarmaterial som är ungefär lika stort som en öl-och dalbana. Kvantprickarna har en diameter på endast cirka 30 nanometer.

”Våra kvantprickar brukade växa som svampar i skogen”, som Andreas Wieck beskriver utgångsläget. "Vi visste att de skulle dyka upp någonstans på rånet, men inte exakt var." Forskarna valde sedan ut en lämplig svamp i skogen för sina experiment med kvantprickarna.

Preliminära odlingsförsök

I ett antal preliminära experiment hade teamet redan försökt påverka tillväxten av kvantprickarna på wafern. Fysikerna hade bestrålat skivan på enskilda punkter med fokuserade joner, vilket skapade defekter i halvledarkristallgittret. Dessa defekter fungerade som kondensationskärnor och provocerade fram tillväxten av kvantprickar. "Men precis som odlade svampar smakar något intetsägande medan skogssvampar smakar bra, var kvantprickarna som skapades på detta sätt inte lika hög kvalitet som de naturligt odlade kvantprickarna", illustrerar Andreas Wieck. De strålade inte lika perfekt ut ljus.

Därför fortsatte teamet med de naturligt odlade kvantprickarna. För experimenten skars rånet i öl-underläggsstorlek i millimetersmå rektanglar. De kunde inte analysera hela skivan på en gång, eftersom vakuumkammaren i RUB-apparaten helt enkelt inte var tillräckligt stor. Men forskarna observerade att vissa waferrektanglar innehöll många kvantprickar, medan andra innehöll få. "Först märkte vi inget system bakom det", minns Andreas Wieck – eftersom forskarna aldrig såg hela bilden.

Kvantprickar av hög kvalitet

För att undersöka frågan på djupet samarbetade Bochum-teamet med sina kollegor på TUM, som i ett tidigt skede hade en mätanordning med en större provkammare till sitt förfogande. Under dessa analyser fann gruppen att det fanns en märklig fördelning av områden med hög och låg kvantpricktäthet på wafern. "Strukturerna påminde starkt om ett moirémönster som ofta förekommer i digitala bilder. Jag kom snart på tanken att det faktiskt måste vara ett koncentriskt mönster, det vill säga ringar, och att dessa kunde ses i samband med vår kristalltillväxt", förklarar Arne Ludwig. Mätningar med högre upplösning visade verkligen att kvantprickarnas densitet var fördelad koncentriskt. Därefter bekräftade forskarna att detta arrangemang berodde på tillverkningsprocessen.

I det första steget beläggs skivan med ytterligare atomlager. På grund av beläggningssystemets geometri skapar detta ringformade strukturer som har ett komplett atomskikt, dvs där ingen atom saknas någonstans i skiktet. Mellan ringarna bildas lika breda ytor som saknar ett fullständigt atomlager och därmed har en grövre yta eftersom enskilda atomer saknas. Detta får konsekvenser för tillväxten av kvantprickarna. "För att hålla fast vid bilden:snarare än på en betongyta växer svampar helst på skogsbotten, det vill säga på de grova fläckarna på rånet", säger Andreas Wieck.

Forskarna optimerade beläggningsprocessen så att de grova områdena dök upp med jämna mellanrum - mindre än en millimeter - på skivan och att ringarna korsades. Detta resulterade i ett nästan schackbrädesliknande mönster med kvantprickar av hög kvalitet, vilket demonstrerats av forskarna från Basel och Köpenhamn. + Utforska vidare

Ljus-materia-interaktionsfri interaktion