Quantumtoestanden germaneen te sturen met elektrisch veld

Onderzoekers van de Universiteit Twente en de Universiteit Utrecht hebben voor het eerst laten zien dat je quantumtoestanden in het ultrasmalle materiaal germaneen aan en uit kunt schakelen met alleen een elektrisch veld. De onderzoekers wisten heel precies de elektrische veldsterkte te wisselen, waardoor de bijzondere "topologische" toestanden in nanolinten verdwijnen of juist ontstaan.

Quantumcomputers rekenen niet met nullen en enen, maar met quantumbits die beide toestanden tegelijk kunnen aannemen. In theorie maakt dat ze supersnel en -krachtig, maar in de praktijk is het bouwen van quantumbits een enorme uitdaging: ze zijn namelijk heel gevoelig voor ruis en raken hun informatie snel kwijt. 

Het broertje van grafeen: germaneen

Onderzoekers zoeken daarom naar materialen die stabiel genoeg zijn om de kwetsbare quantumtoestanden te beschermen. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht en de Universiteit Twente laten zien dat ultrasmalle reepjes van het materiaal germaneen zomaar eens veelbelovend kunnen zijn. 

Germaneen lijkt qua vorm op het bekende materiaal grafeen. Het bestaat uit één laag germaniumatomen in een licht golvend patroon. In extreem smalle linten (2–4 hexagonen breed) ontstaan aan de uiteinden zogeheten zero-dimensionale topologische toestanden. Die zijn interessant als bouwstenen voor stabiele quantumbits, omdat ze van nature beschermder zijn tegen ruis dan normale quantumtoestanden.

Quantumtoestanden aan en uit zetten

Dit nieuwe onderzoek laat voor het eerst zien dat je tussen deze toestanden kan schakelen met een lokaal elektrisch veld. “We kunnen deze topologische eindtoestanden volledig onder elektrische controle brengen”, zegt Esra van ‘t Westende van de Universiteit Twente, mede-auteur van de publicatie. “Door de afstand tussen de scanning-tunnelingmicroscoop en het nanolint te wisselen, passen we het lokale elektrische veld aan. Daarmee schakelen we de quantumtoestand letterlijk aan of uit.”

Bij lage velden tonen de extreem smalle nanolinten een duidelijk meetbare eindtoestand. Wordt het veld sterker, dan verdwijnt deze toestand volledig. Bij bredere linten gebeurt juist het omgekeerde: die krijgen bij hogere elektrische velden ineens wel topologische eindtoestanden. Modellering door het theorieteam van de Universiteit Utrecht (Lumen Eek en Cristiane Morais Smith) bracht aan het licht hoe het elektrische veld de omschakeling activeert, en voorspelde dat smallere en bredere linten zich anders gedragen.

Onderzoek naar nieuwe quantummaterialen

Het onderzoek is onderdeel van het landelijke QuMat-programma, waarin Nederlandse universiteiten samenwerken aan nieuwe materialen voor quantumtechnologie. De samenwerking tussen de UT en de UU was intensief. “Dit project laat precies zien waarom we QuMat hebben: experimentele en theoretische groepen die samen nieuwe materialen ontwerpen voor toekomstige quantumapparaten”, aldus Dr. Pantelis Bampoulis van de Universiteit Twente.

Esra D. van ’t Westende is promovendus bij de groep Physics of Interfaces and Nanomaterials (PIN) (Faculteit TNW / MESA+) aan de Universiteit Twente, onder begeleiding van dr. Pantelis Bampoulis.  Het onderzoek, getiteld ‘Electric-Field Control of Zero-Dimensional Topological States in Ultranarrow Germanene Nanoribbons’, werd recent gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.

DOI: 10.1103/jx2x-fb5b