Delft (NL) – Delftse en Japanse onderzoekers hebben voor het eerst de limiet bereikt waarbij elektronen volledig ongehinderd door een kunstmatig atoom bewegen. Dit geeft uitzicht op de toepassing van kunstmatige atomen in kwantumcomputers.


Kwantumdots zijn minuscule eilandjes van halfgeleidermateriaal. De kleinste hebben een afmeting van slechts enkele tientallen nanometers, vergelijkbaar met atomen. Kwantumdots kun je daarom beschouwen als een soort kunstmatige atomen. Het is bijvoorbeeld mogelijk om te zorgen dat er slechts een enkel elektron op een kwantumdot aanwezig is. Dat maakt het kunstmatig atoom tot een uitstekend middel om kwantummechanische effecten in te onderzoeken. Die openbaren zich immers slechts bij zeer kleine afmetingen.
Zo’n kwantummechanisch verschijnsel is het Kondo-effect, wat al in het begin van de 20e eeuw werd ontdekt maar tot 1964 op een verklaring moest wachten. De theorie van het Kondo-effect voorspelt dat elektronen veel gemakkelijker op en van een kwantumdot springen dan je op grond van de klassieke theorie verwacht. Bij zeer lage temperaturen (beneden 100 millikelvin, dus juist boven het absolute nulpunt) voorspelt de theorie de zogenaamde unitaire limiet: de elektronen ondervinden dan geen enkele barrière meer, en springen door de kwantumdot heen zonder kans te lopen aan de randen te worden gereflecteerd. De onderzoekers in Delft hebben de unitaire limiet nu ook daadwerkelijk gemeten. In Science van deze week doen ze kond van hun bevindingen.

De onderzoekers vinden goede overeenstemming tussen de theoretische voorspelling en de experimenten. Bovendien blijkt dat de elektronen die door de kwantumdots heen schieten, interferentie vertonen. Dat betekent dat de fase van het elektron, een kwantummechanische grootheid, tijdens het springen behouden blijft. Zonder fasebehoud zou de interferentie van de elektronen verdwijnen. Deze bevinding bracht de nodige opwinding teweeg, want behoud van fase is een voorwaarde voor het gebruik van dit soort systemen in een kwantumcomputer, een nog hypothetische computer die is gebaseerd op kwantummechanische verschijnselen en in theorie zeer snel parallele berekeningen kan uitvoeren. Interferentie en fase spelen een belangrijke rol in het principe van de kwantumcomputer. De Delftse vondst is daarom een volgend stapje op weg naar de kwantumcomputer.

Paul Bastiaansen

De kwantumdots in het beschreven experiment werden gemaakt in een zogenaamde Aharonov-Bohm-ring. De binnendoorsnede van de ring is 6,6 micrometer, de 'dikte' van de ring is 0,5 micrometer. Een elektrische spanning over de linker- en de rechterpoot van de elektrode linksonder schept tussen de poten een vijvertje van ongeveer 200 bij 200 nanometer, gevuld met ongeveer honderd elektronen. Dat is de kwantumdot. Wanneer nu de geleiding gemeten wordt, blijkt een piek op te treden die wijst op volledige doorgang van elektronen door de kwantumdot. Deze unitaire limiet is nu voor het eerst experimenteel gemeten.