Kontakt zur Welt der künstlichen Atome

Wissenschaftler vom Walter Schottky Institut der Technischen Universität München (TUM) haben einen Meilenstein gesetzt auf dem Weg zu einer künftigen Quanten-Informationstechnologie.

Wie das renommierte Wissenschaftsmagazin NATURE in seiner Ausgabe vom August 2002 berichtet, ist es den Wissenschaftlern gelungen, so genannte künstliche Atome elektrisch zu kontaktieren und Quanten-Bits mit hoher Effizienz auszulesen.

Am Lehrstuhl für Experimentelle Halbleiter-Physik I von Prof. Gerhard Abstreiter haben Artur Zrenner und Stefan Stufler, die mittlerweile an der Universität Paderborn arbeiten, sowie Evelin Beham, Frank Findeis und Max Bichler ein neues opto-elektronisches Bauelement entwickelt, das die Welt der Quantensysteme für zukünftige Anwendungen im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung erschließt.

Das Bauelement ist eine Photodiode, die so klein ist, dass sie nur ein einzelnes Quantensystem in ihrer aktiven Zone enthält. Man könnte eine derart winzige Photodiode als die kleinste Solarzelle der Welt bezeichnen, ihre Funktionalität erschließt jedoch weit mehr: die Welt der Quantensysteme für zukünftige Anwendungen im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung.

Kernstück dieser neuartigen Diode ist eine einzelne Halbleiter-Nanostruktur, ein so genannter Quantenpunkt. Er ist aus dem Halbleitermaterial InGaAs zusammengesetzt und in eine Matrix aus GaAs eingebettet. Mit einem Durchmesser von 20 Nanometern und einer Höhe von 5 Nanometern ist er so klein (ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter), dass sein optisches und elektrisches Verhalten von den Gesetzen der Quantenmechanik bestimmt wird - man spricht von einem künstlichen Atom.

Quantenpunkt: Kurze Laserpulse erzeugen einzelne Elektron-Loch-Paare. Der entstehende Strom ist deshalb das Produkt aus Elementarladung und der Pulsfrequenz.

Für Anwendungen im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung können künstliche Atome als Träger von Quanten-Bits verwendet werden, die im Gegensatz zu konventionellen Bits nicht nur die reinen Zustände "0" und "1" annehmen können, sondern auch beliebige Mischzustände.

Die Forscher benutzten Elektron-Loch-Paare (Exzitonen) zur Erzeugung von Quanten-Bits im künstlichen Atom. Mittels kurzer optischer Laserpulse gelang es, sie gezielt herzustellen. Dabei entspricht der Zustand "0" einem "leeren" künstlichen Atom, der Zustand "1" einer Besetzung mit genau einem Exziton. Mit steigender Intensität der Laserpulse oszilliert die resultierende Besetzung zwischen "0" und "1". Im elektrischen Feld der Photodiode können die Quantenbits effektiv ausgelesen werden. Das Exziton wird ionisiert, Elektron und Loch verlassen das künstliche Atom und tragen damit zum Photostrom bei.

Besonders interessant wird die Situation bei der gezielten Herstellung des Zustands "1", da hier genau ein Exziton im künstlichen Atom vorliegt. Jeder Auslesevorgang führt hier also zur Trennung genau eines Elektron-Loch-Paars und damit zum Transport genau einer Elementarladung durch den Stromkreis. Diese Quantenpunkt-Photodiode ist demnach eine optisch getriggerte Einzel-Ladungsquelle, die einzelne Elektronen oder Löcher als Antwort auf einzelne Laserpulse quasi auf Bestellung liefert.

Das neue Quanten-Bauelement kann also frequenzgesteuerte Ströme gemäß der einfachen Beziehung I=fxe erzeugen, wobei f die Wiederholfrequenz der Laserpulse und e die Elementarladung ist. Mit einem derartigen Bauelement ist es möglich, optische Anregungen in einzelnen Quantensystemen mit hoher Effizienz in exakt definierte elektrische Ströme umzusetzen. In der Zukunft wird dadurch das elektrische Auslesen exzitonischer Quanten-Information möglich.

Diese neue und bis jetzt unerreichte opto-elektronische Funktionalität verbindet somit die Welt der kohärenten optischen Anregungen im künstlichen Atom mit jener der Einzel-Elektron-Effekte im Bereich der Nano-Elektronik. (ala)