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Einzelne Ionen in Festkörper platziert

Neue Technik ermöglicht es, einzelne Ionen mit einer Genauigkeit von 35 Nanometern in einen Kristall einzubauen

17.09.2019

Abb./©: QUANTUM, Institut für Physik, JGU

Schematische Darstellung der Ionenfalle (links) als Quelle eines Ionenstrahls, um im Kristall (rechts) eine gewünschte Anordnung der Farbzentren einzuschreiben.

Dotierte Halbleiter sind die Grundlage jeder modernen Elektronik. Um elektronische Bauelemente herzustellen, werden hochreine Siliziumkristalle mit Dotierungsatomen wie zum Beispiel Aluminium oder Phosphor versetzt. Dadurch kann die Leitfähigkeit maßgeschneidert werden. In modernen, auf wenige Nanometer miniaturisierten elektronischen Computerprozessoren sind nur noch die Elektronen von weniger als zehn Dotieratomen für die Schaltprozesse zuständig. Noch einen Schritt weiter gehen Quantenbauelemente, bei denen nur einzelne Dotieratome in einem hochreinen Kristall für neuartige Quantencomputer oder Quantensimulatoren genutzt werden sollen.

Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) um Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler haben eine Methode entwickelt, um genau abgezählte, einzelne Dotierungsionen in einen Festkörperkristall zu platzieren. In den Experimenten wurde das Seltene-Erden-Element Praseodym in einen Yttrium-Aluminium-Granatkristall eingeschossen. Diese Kristalle wurden anschließend in Zusammenarbeit mit Forschern der Gruppe um Prof. Dr. Jörg Wrachtrup an der Universität Stuttgart in einem hochauflösenden konfokalen Mikroskop untersucht. Dabei konnte eine Positionierungsgenauigkeit von 35 Nanometern ermittelt werden. Diese Genauigkeit erlaubt es im Prinzip schon jetzt, Anordnungen von Dotierungsionen für Bauelemente eines zukünftigen Quantenprozessors zu schreiben.

Die Ergebnisse wurden als Highlight im aktuellen Band des internationalen Journals Physical Review Letters publiziert und stellen eine wichtige Innovation mit weitem Anwendungspotenzial dar, denn die Methode kann auf andere Kristalle und Dotierungsatome erweitert werden.

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