Quantenschaltkreise aus exotischen Nanoröhren

Molybdändisulfid ist ein bahn­brechendes Material für elektronische Miniatu­ri­sierung. Als zwei­dimen­sionale Schicht ähnlich zu Graphen ist es ein hervor­ragender Halbleiter, der sogar unter den richtigen Bedingungen intrinsisch supra­leitend werden kann. Damit ist es keine große Über­raschung, dass Science-Fiction-Autoren schon seit Jahren über „Molycircuits“, fiktionale Computerchips aus MoS₂, spekulieren – und dass Physiker und Ingenieure großen Aufwand in die Erforschung dieses Materials investieren.

„An der Universität Regensburg haben wir langjährige Erfahrung mit der Charakte­ri­sierung von Quanten­materialien bei ultra­tiefen Temperaturen – insbesondere auch von Kohlenstoff-Nanoröhren“, sagt Andreas Hüttel.  „Damit war es ein natürlicher nächster Schritt, nun MoS₂ und seine faszi­nie­renden Eigenschaften zu untersuchen.“. In Zusammen­arbeit mit Forschern in Slowenien begann seine Arbeitsgruppe mit der Entwicklung von Chip­elementen basierend auf MoS₂-Nanoröhren.

„Bei MoS₂ ist das Erreichen diskreter Quanten­zustände, wie man sie für Qubits und Quanten­computer braucht, mit flachen Material­flocken auf einer Chip­ober­fläche ziemlich schwierig. Genau deshalb interes­sieren wir uns für diese exotischen Nanoröhren aus MoS₂“, so der Wissen­schaftler weiter. „Die Nanoröhren können defekt- und kontami­na­tions­frei gewachsen werden, mit minimalen Durchmessern von etwa zwanzig Nanometern – und dadurch erhält man auto­matisch die kleinen Struktur­abmessungen, die für Quanteneffekte nötig sind.“

Die anfängliche Heraus­forderung war, guten metallischen Kontakt zu den Nano­strukturen zu erreichen. Metalle, mit denen sich dies bei Raum­temperatur realisieren lässt, reagieren typischer­weise mit der MoS₂-Oberfläche und zerstören dadurch den Kristall – ein Problem, das gleicher­maßen flache MoS₂-Flocken betrifft, für Nanoröhren mit ihren kleinen Oberflächen und Querschnitten jedoch umso kritischer ist. „Jetzt können wir endlich Strukturen herstellen, die selbst bei den tiefen Temperaturen, wie man sie typischer­weise für elektro­nische Quanten­effekte und Quanten­computer braucht, gut elektrisch leitend sind, und in denen das Molybdän­disulfid intakt bleibt,“ betont Hüttel.

Und das ist noch nicht alles – die Vorteile der Nanoröhren zeigten sich sofort. „Bis jetzt haben wir aus praktischen Gründen relativ große Nanoröhren und -bänder verwendet“, sagt Hüttel. „Trotzdem konnten wir aber zeigen, dass in unserem Tief­temperatur­messplatz bei Temperaturen unter 0,1 Kelvin Strom durch diskrete elektronische Quanten­zustände fließt – und das ist ein großer Schritt hin zu kontrol­lier­baren Qubits in MoS₂.“

U. Regensburg / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. T. K. Schock et al.: Non-Destructive Low-Temperature Contacts to MoS2 Nanoribbon and Nanotube Quantum Dots, Adv. Mater., online 9. Januar 2023; DOI: 10.1002/adma.202209333
• Physik der Mikro- und Nano-Strukturen, Institut für experimentelle und angewandte Physik, Universität Regensburg