Aangeslagen doosjes; DELFTSE QUANTUM DOTS ZIJN NET PLATTE ATOMEN

Quantum dots zijn minuscule doosjes van halfgeleidermateriaal waarin elektronen zijn opgesloten. Ze gedragen zich analoog aan echte atomen: twee quantum dots als pannenkoek-molecuul.

`EEN BOLLETJE lading' is wel de beknopste omschrijving van een van de intrigerendste verschijnselen uit de natuurkunde van de afgelopen tijd. Het gaat om quantum dots, minuscule doosjes gemaakt van halfgeleidermateriaal waarin zich elektronen kunnen nestelen. Met behulp van geavanceerde (nano)fabricagetechnieken kunnen grootte (van een paar nanometer tot een paar micron) en eigenschappen ervan heel nauwkeurig worden afgestemd. En dat maakt ze zo interessant. Ze gedragen zich als echte atomen en kunnen gebruikt worden om de regels van de quantummechanica te testen onder omstandigheden die anders onbereikbaar zouden zijn. Leo Kouwenhoven van de Technische Universiteit Delft en het onderzoeksinstituut DIMES stelde zelfs een periodiek systeem samen waarbij hij de kunstmatige atomen namen gaf van zijn collega's. Samen met de NTT Basic Research Laboratories in Japan, waarmee zij een langdurige samenwerking hebben, is Delft toonaangevend op dit gebied. Voor Tjerk Oosterkamp, die over drie maanden op dit onderzoek hoopt te promoveren komt dat goed uit. Deze week publiceren zowel Nature (29 oktober 1998) als Science (30 oktober 1998) een artikel over zijn werk aan quantum dots.

Al dat onderzoek begint met het opsluiten van elektronen. In Delft doen ze dat door een dun schijfje halfgeleider van boven en onder af te sluiten met een isolerend laagje. Volgens de klassieke natuurkunde zou er in dat geval geen elektrische stroom meer kunnen lopen, maar de quantummechanica biedt een sluiproute. Wanneer een elektrische spanning wordt aangelegd over de quantum dot kunnen elektronen wel door de isolerende barriere heen: een verschijnsel dat tunnelen wordt genoemd. De wet van Ohm (V=IxR) gaat daarbij niet meer op.

Er is sprake van een zogeheten Coulomb-blokkade. Alleen bij vaste waarden van de spanning op de nabijgelegen gate - een metalen elektrode die het aantal elektronen op de dot bepaalt - kan een elektron passeren. Het is als het druppelen van een kraan. Voordat een druppel kan vallen, moet er eerst voldoende spanning opgebouwd worden. In de quantum dot kan het elektron zich niet vrijelijk bewegen. De afmetingen ervan zijn zodanig klein dat ze gebonden zijn aan cirkelvormige banen met een vaste energie. Het zijn een soort platte atomen.

Net als hun nog veel kleinere soortgenoten kunnen deze atomen worden aangeslagen en zenden ze het teveel aan energie weer uit wanneer ze terugvallen. Ook het opvullen van de elektronenbanen vertoont grote overeenkomsten met de manier waarop dat in `echte' atomen gaat. Het is alleen iets regelmatiger: twee in de eerste, vier in de tweede, zes in de derde enzovoort. De analogie gaat echter veel verder. In het Delftse periodiek systeem zitten zelfs atomen die op edelgassen lijken - met een `volle' buitenste schil - waar de elektronen alleen met veel moeite (energie) uit weggeschoten kunnen worden.

Als quantum dots zich volledig analoog aan gewone atomen zouden gedragen, dan zouden ze nooit zo in de belangstelling hebben gestaan. Juist vanwege hun grootte kunnen bepaalde experimenten worden uitgevoerd die voor atomen onbereikbaar zouden zijn. Een magnetisch veld van een tesla heeft op een quantum dot hetzelfde affect als een miljoen maal sterker veld op een `gewoon' atoom. Zo kunnen quantummechanische verschijnselen worden bestudeerd in regimes die tot voor kort onbereikbaar waren (Science, 5 december 1997).

NEGATIEVE SPANNING

Nog interessanter werd het een jaar geleden toen een groep van het Walter Schottky Institut in Munchen er in slaagde om met behulp van twee gekoppelde quantum dots een pannenkoek-molecuul te vormen en daar de optische eigenschappen van te bestuderen. Daartoe moesten de dots wel vlak naast elkaar worden gezet - op minder dan zestig nanometer - om ervoor te zorgen dat er voldoende interactie tussen de twee was. Het zijn dit soort `moleculen' waar Oosterkamp de laatste maanden aan heeft gewerkt. ``Alleen werken wij niet met elektron-gat paren maar met gewone elektronen. Bovendien zijn onze systemen veel flexibeler dan de groep uit Munchen', zo laat hij weten.

Dat komt omdat zijn quantum dots gevormd worden door spanning te zetten op een aantal gate-elektrodes die op een heel speciale manier ten opzichte van elkaar zijn geplaatst. Oosterkamp: ``Een negatieve spanning op de gates duwt de elektronen weg. Er ontstaan als het ware een aantal putjes - waar ze zich het prettigst voelen - die van elkaar gescheiden zijn door barrieres. Wanneer we de verschillende spanningen varieren kunnen we de elektronen heel gemakkelijk manipuleren.'

Zo is het niet nodig om een heleboel verschillende monsters te maken en kan de interactie tussen twee dots eenvoudig worden ingesteld. Een draai aan een spanningsknop bepaalt wat de elektronen doen. In het ene geval worden ze min of meer netjes gedeeld: er zijn dan in feite een positief en een negatief ion ontstaan, die elkaar aantrekken en zo een binding vormen. Het andere uiterste is de toestand waarbij de elektronen razendsnel heen en weer schieten en zo een `covalente atoombinding' vormen. Het zijn dit soort toestanden die Oosterkamp en zijn collega's met behulp van microgolven hebben bestudeerd.

Daarnaast werden absorptie en emissie van een dubbele quantum dot bekeken. Oosterkamp ontdekte dat er een sterke wisselwerking met de omgeving bestaat die zich openbaart in het spontane uitzenden van fononen, trillingen in het omliggende rooster. Ook hiervoor is er een directe analogie met atomen die licht (fotonen) uitzenden. Beide verschijnselen kunnen met dezelfde formules worden beschreven, ooit door Einstein afgeleid.

De metingen voorspellen niet veel goeds voor de verwezenlijking van een quantumcomputer. Hierin wordt gebruik gemaakt van het feit dat quantumdeeltjes (atomen, moleculen, quantum dots) zich niet alleen in de grondtoestand (een 0) of een aangeslagen toestand (een 1) kunnen bevinden maar ook in allebei tegelijk, in wat een superpositie wordt genoemd. Quantum dots waren al lang een potentiele kandidaat voor toepassing in zo'n quantumcomputer. De sterke interactie met de omgeving waar Oosterkamp en zijn collega's nu op zijn gestuit, betekent echter dat superposities in deze quantum dots geen lang leven beschoren zijn, wat betekent dat je er voor een quantumcomputer dus misschien maar weinig aan hebt. Daarkomt bij dat quantum dots op dit moment hun naam alleen eer aan doen bij temperaturen niet ver van het absolute nulpunt. Daarboven verdwijnen de quantumeffecten als sneeuw voor de zon.