Einzelne Ionen in Festkörper platziert

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 Uni Mainz um 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 Jörg Wrachtrup an der Uni 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 stellen eine wichtige Innovation mit weitem Anwendungs­potenzial dar, denn die Methode kann auf andere Kristalle und Dotierungs­atome erweitert werden.

JGU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  K. Groot-Berning et al.: Deterministic Single-Ion Implantation of Rare-Earth Ions for Nanometer-Resolution Color-Center Generation, Phys. Rev. Lett. 123, 106802 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.106802
• Quantenbit AG Schmidt-Kaler, Quanten-, Atom- und Neutronenphysik, Institut für Physik, FB Physik, Mathematik und Informatik, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
• 3. Physikalisches Institut (J. Wrachtrup), Fklt. Mathematik und Physik, Universität Stuttgart