Loch Spin-Qubits und Majorana-Fermionen in Germanium

Obwohl die erste Realisierung eines Transistor im Jahr 1947 auf Germanium basierte, wurde diesem Material in der Halbleitertechnologie über Jahrzehnte hinweg wenig Bedeutung beigemessen. Im Bestreben die Leistungsfähigkeit immer kleinerer Transistoren zu erhöhen, ist Ge allerdings wieder in den Fokus gekommen, aufgrund der geringeren effektiven Masse und der höheren Mobilität für Löcher in p-Typ-Transistoren. Auch im Bereich der Spin-Qubits hat sich SiGe als vielversprechendes Material etabliert. SiGe Nanostrukturen sollten aufgrund des Fehlens der Hyperfeinwechselwirkung (in isotopisch gereinigten Kristallen) längere Kohärenzzeiten auftreten. Weiterhin wurde kürzlich vorgeschlagen, dass ultradünne verspannte Ge Nanodrähte eine ungewöhnlich große Spin-Bahn-Wechselwirkung aufweisen, was darauf hindeutet, dass solche eindimensionale Drähte ein großes Potenzial für die Realisierung von Majorana Fermionen haben könnten. In Anbetracht der obigen Fakten kann man sogar von einer neuen Ära für Ge in der Informationstechnologie sprechen. Über selbstorganisiertes Wachstum von kristallinen SiGe Nanostrukturen auf Si wurde zum ersten Mal im Jahre 1990 berichtet. Dies führte zu großen Erwartungen, dass solche Nanostrukturen innovative, skalierbare und CMOS- kompatible Nano-Bauelemente liefern könnten. Zwei Jahrzehnte später ist es dem Antragsteller erstmals gelungen, Bauelemente aus solchen Strukturen zu realisieren und ihre elektronischen Eigenschaften genauer zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten dabei deutlich, dass selbstorganisierte SiGe Quantenpunkte eine einzigartige Kombination physikalischer Phänomene aufweisen; geringe Hyperfeinwechselwirkung, starke Spin-Bahn-Kopplung und selektives Spin Tunneln. Hierdurch bestärkt ging die Gruppe des Antragstellers 2012 noch einen Schritt weiter und hat zum ersten Mal ultra-kleine selbstorganisierte Ge Nanodrähte monolithisch auf herkömmlichen Si Substraten realisiert, die es nun weiter ermöglichen sollen, sich in Richtung von Doppelquantenpunkten und Majorana- Fermionen zu bewegen. Der selbstdefinierte und außerordentliche kleine Querschnitt der Ge Drähte lässt auf die Realisierung von eindimensionalen Loch Systemen mit exotischen Eigenschaften hoffen und soll einen neuen Entwicklungsweg für Silizium-basierte Nanoelektronik bieten. Im Rahmen dieses Projektes werden diese neu entwickelten Ge Nanodrähte, sowohl für Spin-basierte als auch für topologische (Majorana-Fermionen) Quantencomputer untersucht. Die langfristige Vision des Antragstellers ist die Kopplung dieser beiden Arten von "Quanten Hardware" auf einer "technologischen Plattform", um die kohärente Übertragung von Quanteninformation zwischen ihnen zu ermöglichen.

Es wird weltweit versucht, geeignete Systeme zu finden, die als Bausteine für die Realisierung eines Quantenprozessors verwendet werden können. In Halbleitermaterialien gebildete Quantenpunkte gehören zu den vielversprechendsten Kandidaten, da es sich um Festkörpersysteme mit enormem Hochskalierungs-Potenzial handelt. Insbesondere Quantenpunkte in Silizium und Germanium haben den entscheidenden Vorteil, dass sie mit der Standard-Siliziumtechnologie kompatibel sind. Bisher lag der Forschungsschwerpunkt hauptsächlich auf Elektronen. Löcher, d. H. fehlende Elektronen, haben erst kürzlich aufgrund ihrer starken Spin-Bahn-Kopplung Interesse geweckt, da Sie zur Realisierung vollständig elektrisch steuerbarer Quantenbits auf der Grundlage des Spin-Freiheitsgrades führen könnten. In diesem Projekt haben wir mit Nanodrähten gearbeitet und zum ersten Mal ein Germanium-Loch-Spin-Qubit realisiert. Die Nanodrähte wurden unter Ultrahochvakuumbedingungen gezüchtet und hatten eine Höhe von etwa 2 nm. In solchen Nanodrähten wurden Löcher lokalisiert, um die Spin-Eigenschaften zu untersuchen und Spin-Qubits zu realisieren. Der Einschluss von Löchern war in Quantenpunkten möglich, die in den Nanodrähten durch Anlegen geeigneter Spannungen an Metallelektroden, gebildet wurden. Zusätzlich konnte durch Senden von hochfrequenten Mikrowellensignalen der Spin eines einzelnen Lochs manipuliert und ein Qubit realisiert werden. Kohärente Schwingungen des Spins, die sogenannten Rabi-Schwingungen, konnten nachgewiesen werden. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass für Löcher in Germanium die Quanteninformation länger als 120 ns "leben" kann, was als Dephasierungszeit bezeichnet wird. Um weiter zu untersuchen, wo die Kohärenzzeit für das von uns demonstrierte Germanium-Qubit begrenzt ist, haben wir Messungen durchgeführt, um die Zeit zu extrahieren, die ein Spin benötigt, um sich von seinem angeregten in seinen Grundzustand zu entspannen. Diese als Spinrelaxationszeit bekannte Zeit ist eine Obergrenze für die Kohärenzzeit. Zur Messung der Spinrelaxationszeit haben wir zwei vertikal gewachsene Nanodrähte gekoppelt. Einer von ihnen wurde als Ladungssensor verwendet, der die Ladungsinformationen in Spininformationen umwandeln kann. Unsere Experimente zeigten, dass die Spinrelaxationszeit für ein Magnetfeld von 0,5 Tesla nahe bei 100 mikrosekunden liegt, was unterstreicht, dass Lochspins in Ge sehr interessant für die Quanteninformation sind. Die Ergebnisse des Projekts unterstreichen das Potenzial von Ge als Plattform für die Realisierung vollständig elektrisch abstimmbarer Spin-Qubits mit großem Hochskalierungs-Potenzial. Tatsächlich haben im Jahr 2020, zwei Jahre nach der Realisierung des ersten Ge-Qubits, drei weitere Gruppen Ge-Loch-Spin-Qubit-Ergebnisse veröffentlicht, die das enorme Potenzial von Germanium zeigen.