Vorteilhafte Fehlstelle

Siliziumkarbid-Kristalle bestehen aus einem regelmäßigen Gitter, aufgebaut aus Silizium- und Kohlenstoff-Atomen. Die Halbleiter finden heutzutage vielfach in der Mikro- und Optoelektronik Verwendung. Physikern der Universität Würzburg ist es jetzt zusammen mit Wissenschaftlern aus St. Petersburg gelungen, Siliziumkarbid so zu manipulieren, dass sich das Material unter anderem für den Einsatz in neuartigen, extrem schnellen Quanten-Computern anbietet.

„Wir haben ein Siliziumatom aus dem Kristallgitter entfernt und somit eine Silizium-Fehlstelle erzeugt“, erklärt Georgy Astakhov die Vorgehensweise der Physiker. Diese Fehlstelle gibt dem Material interessante neue Eigenschaften. Die Silizium-Fehlstelle sorgt nämlich dafür, dass zusätzliche Energieniveaus in der seiner Bandlücke entstehen. Diese Art von Siliziumkarbid strahlt nun kein ultraviolettes, sondern infrarotes Licht ab, wenn die Elektronen von dem hohen Energieniveau auf das niedrigere „zurückfallen“. Licht, das sich besser dafür eignet, Informationen in einer Glasfaser zu übertragen.

Besonders interessant ist das modifizierte Siliziumkarbid für eine weitere Anwendung – als Halbleiter und Speichermedium in neuartigen Quanten-Computern. Ein Quantencomputer verarbeitet Informationen in Form von sogenannten Qubits. Basis dafür kann der Spin der Elektronen sein. Er kann viel mehr Information als ein klassisches Bit enthalten. Indem sie die Siliziumkristalle gleichzeitig mit Licht und Radiowellen „beschossen“, konnten die Forscher Spins gezielt manipulieren und so Information speichern und bei Bedarf auslesen.

„Auf diesem Forschungsgebiet haben zuletzt die Farbzentren in Diamant große Aufmerksamkeit gewonnen, die ähnliche Defekte aufweisen wie unser Siliziumkarbid“, sagt Astakhov. Die Diamant-Qubits lassen sich gut ansprechen, verändern und auslesen – und das auch noch bei Raumtemperatur. Allerdings ist Diamant ein Material, dessen Herstellungstechnologie längst nicht so gut entwickelt ist wie für Silizium-Halbleiter. „Deshalb läuft jetzt weltweit eine Suche nach Quantensystemen, welche die Vorteile von Diamant und Silizium in einem Material vereinigen“, so Astakhov.

Siliziumkarbid mit einer Fehlstelle bietet sich dafür nach Einschätzung der Würzburger Physiker an. „Das fehlende Atom hat ja auch zur Folge, dass in dem Kristallgitter ein Elektron fehlt“, erklärt Dyakonov, „und das ist wiederum gleichbedeutend mit dem Spin, der im Quanten-Computer Informationsträger sein kann“. Außerdem sei die Technologie für Siliziumkarbid bereits in der Anwendung angekommen. Leuchtdioden, Transistoren, mikroelektromechanische Bauelemente oder Sensoren aus diesem Material sind bereits auf dem Markt.

Begeistert sind die Physiker von einem ganz besonderen Aspekt ihrer Proben: „Es ist bemerkenswert, dass sich die Silizium-Fehlstellen-Qubits in einem dicht gepackten Kristall fast wie Atome mit sehr definierten, äußerst scharfen optischen Resonanzen verhalten. Das ist absolut außergewöhnlich“, so Astakhov.

Doch Spin-Quanten-Computer müssen Informationen nicht nur verarbeiten, sondern auch über einen möglichst langen Zeitraum hinweg speichern können. Das ist momentan noch ein Problem, da die Streufelder benachbarter Atomkerne die an Fehlstellen gespeicherte Information mit der Zeit löschen. Die Forscher aus Würzburg und Sankt Petersburg planen deshalb, in einem nächsten Schritt Siliziumkarbid-Kristalle herzustellen, die aus einem Silizium-Isotop ohne magnetisches Moment aufgebaut sind. „Wir wissen, dass von Silizium- und Kohlenstoffatomen auch spin-freie Isotope existieren“, sagt Astakhov. Ein Siliziumkarbid-Kristall, aufgebaut nur aus solchen Isotopen, sollte deshalb in der Lage sein, die Information sehr lange zu behalten.

U.Würzburg / PH