19.09.2019 • Nanophysik

Einzelne Ionen in Festkörper platziert

Neue Technik ermöglicht Einbau mit einer Genauigkeit von 35 Nanometern.

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.

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

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

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