Dat elektronen tegelijkertijd linksom en rechtsom kunnen draaien is voor fysici oude koek. Wetenschappers willen dit kwantummechanische fenomeen toepassen in de kwantumcomputer.
Eerst moeten ze daarvoor elektronen kunnen isoleren en gericht laten draaien. Delftse natuurkundigen timmeren op dit gebied flink aan de weg.
Promovendus ir. Frank Koppens van de onderzoeksgroep kwantumtransport van technische natuurkunde slaagde er onlangs als eerste ter wereld in om de draairichting aan te sturen van een enkel in een nanostructuur opgesloten elektron. Een artikel van zijn hand hierover verschijnt donderdag in Nature. De onderzoeker sloot een elektron op in een kwantumdot, een soort kuiltje omringd door elektrodes waar bij de juiste spanning maar plaats is voor één elektron. Hij kon het deeltje gericht laten tollen door een zeer snel variërend magnetisch veld gedurende enkele miljardsten van een seconde aan en uit te schakelen.
“Veel groepen zijn hier mee bezig geweest”, zegt Koppens. “Maar het was nog niemand gelukt, omdat het erg lastig is om het elektron te draaien en tegelijkertijd de draairichting te bepalen. Je kunt er geen magnetische sensor bijhouden, daar is het veel te klein voor.” Koppens heeft hiervoor een truc verzonnen. Hij heeft er een ander elektron naast gehouden. Een basisprincipe van de kwantummechanica zegt dat twee elektronen met gelijkgerichte draairichtingen of spins niet bij elkaar kunnen verblijven en twee elektronen met verschillend gerichte spins wel. Door steeds na de draaiing te kijken of de twee naburige elektronen bij elkaar konden verblijven of niet, kon hij zien of de spinrichting was veranderd.
Koppens en zijn collega’s, onder leiding van dr. Lieven Vandersypen, hopen met hun werk het record van IBM te verbeteren. Vijf jaar geleden maakte deze computerfabrikant een zevenbits kwantumrekenaar. De fysici van het bedrijf gebruikten de spin van atoomkernen als informatiedragers, of bits, vergelijkbaar met de nullen en énen in een normale computer. “We hebben nu alle benodigde ingrediënten”, aldus Koppens. “We kunnen elektronen opsluiten, uitlezen, koppelen en draaien.”
Vorige week stond in Nature ook een publicatie van dr. ir. Jorden van Dam, eveneens werkzaam bij de sectie kwantumtransport. Hij is er in geslaagd volledige controle te krijgen over het aantal elektronen dat zich in de kwantumdot bevindt van een nanodraadje, een metalen draad van één tot honderd miljoenste millimeter dik. Ook hij kan het aantal elektronen naar believen sturen, door middel van een externe aangebrachte spanning.
Het werk van de Delftenaren is ook fundamenteel gezien van groot belang. Koppens: “We weten bijvoorbeeld dat de richting van de elektronspin beïnvloed wordt door de spin van atoomkernen, maar hoe dat precies zit, is nog onbekend. Dat kunnen we nu gaan onderzoeken.”
Promovendus ir. Frank Koppens van de onderzoeksgroep kwantumtransport van technische natuurkunde slaagde er onlangs als eerste ter wereld in om de draairichting aan te sturen van een enkel in een nanostructuur opgesloten elektron. Een artikel van zijn hand hierover verschijnt donderdag in Nature. De onderzoeker sloot een elektron op in een kwantumdot, een soort kuiltje omringd door elektrodes waar bij de juiste spanning maar plaats is voor één elektron. Hij kon het deeltje gericht laten tollen door een zeer snel variërend magnetisch veld gedurende enkele miljardsten van een seconde aan en uit te schakelen.
“Veel groepen zijn hier mee bezig geweest”, zegt Koppens. “Maar het was nog niemand gelukt, omdat het erg lastig is om het elektron te draaien en tegelijkertijd de draairichting te bepalen. Je kunt er geen magnetische sensor bijhouden, daar is het veel te klein voor.” Koppens heeft hiervoor een truc verzonnen. Hij heeft er een ander elektron naast gehouden. Een basisprincipe van de kwantummechanica zegt dat twee elektronen met gelijkgerichte draairichtingen of spins niet bij elkaar kunnen verblijven en twee elektronen met verschillend gerichte spins wel. Door steeds na de draaiing te kijken of de twee naburige elektronen bij elkaar konden verblijven of niet, kon hij zien of de spinrichting was veranderd.
Koppens en zijn collega’s, onder leiding van dr. Lieven Vandersypen, hopen met hun werk het record van IBM te verbeteren. Vijf jaar geleden maakte deze computerfabrikant een zevenbits kwantumrekenaar. De fysici van het bedrijf gebruikten de spin van atoomkernen als informatiedragers, of bits, vergelijkbaar met de nullen en énen in een normale computer. “We hebben nu alle benodigde ingrediënten”, aldus Koppens. “We kunnen elektronen opsluiten, uitlezen, koppelen en draaien.”
Vorige week stond in Nature ook een publicatie van dr. ir. Jorden van Dam, eveneens werkzaam bij de sectie kwantumtransport. Hij is er in geslaagd volledige controle te krijgen over het aantal elektronen dat zich in de kwantumdot bevindt van een nanodraadje, een metalen draad van één tot honderd miljoenste millimeter dik. Ook hij kan het aantal elektronen naar believen sturen, door middel van een externe aangebrachte spanning.
Het werk van de Delftenaren is ook fundamenteel gezien van groot belang. Koppens: “We weten bijvoorbeeld dat de richting van de elektronspin beïnvloed wordt door de spin van atoomkernen, maar hoe dat precies zit, is nog onbekend. Dat kunnen we nu gaan onderzoeken.”
Comments are closed.