Tollend elektron op de nanometer nauwkeurig te verplaatsen
Het is een team van onderzoekers gelukt om een enkel spinnend
elektron te positioneren op een chip met een precisie van
enkele nanometers. Hiermee ligt de weg open naar quantumchips
met nano-elementen naar keuze. De resultaten zijn gepubliceerd
in het gerenommeerde Applied Physics Letters.
Vier nanodiamantjes netjes op een rij gelegd met de nieuwe
positioneringstechniek.
Nanonaald
Het elektron zit in een vooraf geselecteerd minuscuul
diamantje. Een scherpe nanonaald kan het diamantje verplaatsen
met behoud van alle unieke eigenschappen, hebben de
onderzoekers aangetoond. Het team bestaat uit twee Leidse
onderzoekers, dr.ir. Tjerk Oosterkamp en ir. Erwin Heeres, en
vijf onderzoekers van het Kavli Institute of NanoScience Delft
in dienst van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der
Materie (FOM). Bijzonder is ook dat het met een nieuwe techniek
mogelijk is `live' op nanometerschaal mee te kijken met het
plaatsingsproces. Hiermee ligt de weg open naar het bouwen van
quantumchips met nano-elementen naar keuze. Tot nu toe was het
positioneren het grootste struikelblok voor diverse
toepassingen zoals in een supercomputer, die hiermee weer een
stapje dichterbij komen.
Een nanodiamant met een enkel NV-centrum is verplaatst. De
kleur geeft aan hoeveel licht er wordt uitgezonden van een
bepaalde plek als daar laserlicht op schijnt. De structuur in
het midden is een vooraf aangebrachte markering die het
mogelijk maakt om het diamantje te vinden op de chip. Het
diamantje lag eerst linksonder (waar nu geen licht meer te zien
is), en is verplaatst naar rechtsboven waar het nu licht
uitzendt.
Supercomputer
Centrale doelen in de quantummechanica zijn het controleren van
de wisselwerking tussen een quantummechanisch deeltje en zijn
omgeving, en het zoeken naar mogelijke toepassingen hiervan. De
quantummechanische tolbeweging (spin) van een elektron kan
bijvoorbeeld gebruikt worden voor een extreem gevoelige
magneetveldmeter, of als opslag- en verwerkingseenheid van
quantuminformatie in een toekomstige supercomputer. Een
quantumdeeltje met gunstige optische eigenschappen is inzetbaar
als een enkelfotonbron of een enkelplasmonbron. Voor al deze
toepassingen is nauwkeurige controle over de positie van het
quantumdeeltje essentieel.
Boven: Een foton-correlatiemeting toont aan dat het verplaatste
NV-centrum gebruikt kan worden als enkelfotonbron.
Onder: Coherente spinmanipulatie van het NV-centrum. Dit is een
basisoperatie nodig voor toepassing in een quantumcomputer.
NV-centrum
Het koolstofrooster van diamant kan een uitgebreide variatie
aan defecten bevatten met interessante optische en magnetische
eigenschappen. Het Stikstof-Holte-centrum (NV-centrum), dat
bestaat uit een stikstofatoom naast een missend koolstofatoom,
de holte, is populair bij quantumfysici. Het NV-centrum is een
zeer stabiele enkelfotonbron en in de spin van zijn elektronen
kan quantuminformatie opgeslagen worden met een betrouwbaarheid
die alle andere vastestofquantumbits verslaat. Deze
eigenschappen blijven zelfs behouden op kamertemperatuur, wat
extra interessant is voor toepassingen. Vele groepen over de
wereld proberen dan ook het NV-centrum te koppelen aan
fotonische en magnetische structuren op een chip, maar het
nauwkeurig genoeg plaatsen van het NV-centrum was tot nu toe
nog niet gelukt.
Elektronenmicroscoop
De onderzoekers gebruikten diamantjes ter grootte van slechts
tientallen nanometers. Met optische metingen identificeerden
zij eerst die diamantjes die een NV-centrum bevatten.
Vervolgens heeft de scherpe naald deze diamantjes opgepikt en
op de juiste plek neergelegd, mogelijk gemaakt door het
realtimebeeld van een elektronenmicroscoop. Na het plaatsen
hebben ze met optische metingen en met enkelspinmanipulatie
aangetoond dat ze inderdaad een enkel NV-centrum hadden
verplaatst, inclusief al zijn unieke eigenschappen.