The original version of this story was published by Utrecht Unversity.
Onderzoekers van de Universiteit Utrecht en de Universiteit Twente hebben een manier gevonden om quantumtoestanden in het ultradunne materiaal germaneen actief te sturen. Met het elektrische veld van een scanning-tunnelingmicroscoop kunnen ze de zogeheten topologische toestanden in nanolinten van germaneen letterlijk aan- en uitzetten. Die toestanden kun je vergelijken met de nullen en enen in een reguliere computer. Het onderzoek verscheen op 12 november in het vakblad Physical Review Letters.
De computers van de toekomst rekenen niet meer 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.
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.
Topografische afbeelding van nanolint, waarop germanene-atomen te zien zijn. Onder: scanning tunneling spectroscopie die een eindtoestand (opgelicht) laat zien, die met een elektrisch veld kan worden in- en uitgeschakeld.
Van meten naar sturen
Een jaar geleden liet hetzelfde team al zien dat nanolinten van germaneen, reepjes van zo’n twee tot vier atomen breed, bijzondere quantumtoestanden hebben aan hun uiteinden. Deze studie gaat daarop verder en toont dat je die toestanden ook kunt manipuleren.
“We kunnen de topologische fase van germaneen ‘omzetten’ met een elektrisch veld,” zegt natuurkundige Lumen Eek. Hij doet onderzoek aan het Instituut voor Theoretische Fysica in de groep van Cristiane de Morais Smith. “Dit is de eerste keer dat dit in dit soort materiaal omkeerbaar lukt, zowel theoretisch als experimenteel.”
Atoomlaagje
Germaneen lijkt op grafeen, het bekende enkele atoomlaagje koolstof, maar is opgebouwd uit het zwaardere element germanium. Dat verschil maakt het materiaal nét iets anders: omdat de germaniumatomen groter zijn dan koolstofatomen, ontstaat er een golvend patroon in het laagje. Die ribbelige structuur maakt germaneen gevoelig voor elektrische velden van een scanning-tunnelingmicroscoop, waarmee het materiaal stuurbaar wordt.
Quantumbits
In het lab gebruiken de onderzoekers de extreem kleine, scherpe naald van een scanning-tunnelingmicroscoop om individuele atomen te benaderen. Door het lokale elektrische veld te veranderen, kunnen ze de quantumtoestand aan het uiteinde van een nanolint schakelen tussen twee toestanden: aan of uit, 1 of 0. “Je kunt dat vergelijken met bits in een klassieke computer,” zegt Eek.
De controle over die randtoestanden maakt germaneen interessant als bouwsteen voor zogeheten topologische qubits. Zulke qubits zouden veel minder gevoelig zijn voor verstoringen van buitenaf, een van de grootste obstakels voor het ontwikkelen van betrouwbare quantumcomputers. “De toestanden in germaneen zijn topologisch beschermd. Ze zijn dus minder gevoelig voor ruis.”
Samenwerking binnen QuMat
Het onderzoek maakt deel uit van het landelijke QuMat-programma, waarin natuurkundigen van verschillende universiteiten samenwerken aan nieuwe quantummaterialen. “We hebben in dit project intensief samengewerkt met onderzoekers van de Universiteit Twente,” zegt Eek. “Er is veel uitwisseling van kennis en ideeën. Dat is ook het doel van QuMat: samen werken aan materialen die de basis kunnen vormen voor toekomstige quantum devices.”
Over Lumen Eek
Lumen Eek is promovendus bij het Institute for Theoretical Physics van de Universiteit Utrecht. Hij onderzoekt topologische materialen en de rol van symmetrie in quantumverschijnselen.