Koolstof nanobuisjes zijn een wonderlijk materiaal. Zo kunnen ze gebruikt worden om heel precies te meten, om supersterke maar flexibele materialen te maken, en zelfs om kleine beetjes stroom mee te geleiden op computerchips. Delftse onderzoekers kunnen daar nu nog een toepassing bij schrijven: het lijkt erop dat de buisjes goede kandidaten zijn om zogenaamde qubits te maken, de piepkleine rekeneenheden van een kwantumcomputer.

Qubits zijn de geheugencellen van kwantumcomputers. Een bit in een normale computer heeft de waarde 0 óf 1, maar een qubit kan in een spookachtige superpositie een mengsel van de twee toestanden in zich dragen. Qubits aan elkaar gekoppeld dragen daardoor veel meer informatie dan een normale groep bits en kunnen daardoor verschillende rekenstappen tegelijkertijd in plaats van na elkaar uitvoeren. Dat betekent flinke tijdwinst voor de kwantuminformaticus.

Om een goed werkende qubit te maken moet je de eigenschappen van een enkel elektron kunnen controleren. In nanobuisjes blijkt het mogelijk om zo’n enkel elektron te vangen in een zogenaamde kwantumstip (quantum dot). Zulke stippen worden gemaakt door een spanning op het nanobuisje te zetten. In het Delftse experiment werden op een enkel nanobuisje drie elektrodes aangesloten, zodat je naar keuze één of twee kwantumstippen kunt maken.

“Om één kwantumstip te maken,” legt onderzoeker Gary Steele van het Kavli-instituut uit, “zetten we tussen alle elektrodes dezelfde spanning. Het nanobuisje krijgt dan een positieve potentiaal, die ervoor zorgt dat er een elektron kan worden aangetrokken. Als we er twee willen hoeven we alleen maar het middelste gebied afstotend te maken. Een elektron ziet dan links en rechts op het nanobuisje twee aantrekkende putjes, waaruit het kan kiezen.”

Elektronen duwen

Als je die opstelling eenmaal hebt gebouwd, is het in theorie heel eenvoudig om een enkel elektron te vangen. “Als je een aantal elektronen hebt gevangen op een kwantumstip, kun je ze eruit duwen,” vertelt Gary Steele. “Iedere keer als er eentje uit verdwijnt zie je een piekje in de stroom, een zogenaamde Coulomb-piek. Als je ze er één voor één uit duwt, bereik je een punt dat er geen piekjes meer te zien zijn. Dan is de kwantumstip leeg.” Maar in de praktijk is het meestal niet zo eenvoudig. De Coulomb-pieken worden bij een klein aantal elektronen zo laag, dat ze meestal niet boven de ruis van de meetapparatuur uitkomen. “We hebben een speciaal voordeel in ons experiment: in de nanobuisjes is de drempel tussen geleiding en isolatie heel laag. We kunnen precies het verschil in gedrag zien als we het laatste geleidende elektron uit het buisje duwen. Zo kunnen we ondubbelzinnig vaststellen wanneer er nog maar één elektron op de kwantumstip gevangen zit.”

Het Delftse experiment is niet de eerste poging om koolstof nanobuisjes te gebruiken om elektronen mee te vangen. Dat het nu lukt, komt volgens Gary Steele door de schoonmaaktechniek die in zijn onderzoeksgroep is ontwikkeld. “Ik stond er heel erg van te kijken hoe makkelijk het was om het eerste elektron te vinden. Een uur nadat we het experiment hadden afgekoeld kon ik het al meten, en het mooiste is dat het ook nog heel goed herhaalbaar blijkt, iets dat bij vorige experimenten nog wel eens lastig was.”

Spontane ordening

Toch ging niet alles in het experiment volgens plan. De onderzoekers waren van plan om de zogenaamde spinblokkade-techniek te gebruiken om de eigenschappen van de gevangen elektronen te meten: een techniek waarbij de spin van een elektron wordt omgezet in een stroompje. Het werd echter snel duidelijk dat die verwachte spinblokkade helemaal niet voorkomt in de nanobuisjes. “We denken dat er een Wigner-kristal wordt gevormd in de buisjes: omdat de elektronen elkaar afstoten, gedragen ze zich niet zoals in atomen, maar ordenen ze zich spontaan.” Een onverwacht effect dus, maar wel een spannende bijkomstigheid: “De effecten van sterke interacties tussen atomen zijn erg interessant, omdat het heel moeilijk is om daar theoretisch iets over uit te rekenen.”

Of de superschone nanobuisjes een geschikt systeem zijn om qubits mee te maken is nog niet duidelijk, want de spontane ordening van de elektronen kan roet in het eten gooien. Wel biedt het experiment een nieuwe, gedetailleerde kijk op het gedrag van eenzame elektronen in de geheimzinnige wereld van de kwantummechanica.

Bron: Tunable few-electron double quantum dots and Klein tunnelling in ultraclean carbon nanotubes, G.A. Steele, G. Götz en L.P. Kouwenhoven, Nature Nanotechnology, 6 april 2009.