Met kwantumdots op silicium kun je het gedrag van elektronen in een organisch molecuul realistisch simuleren. Een belangrijke stap in de richting van een kwantumcomputer waar chemici echt iets aan hebben, suggereren Australische onderzoekers in Nature.
Michelle Simmons en collega’s van de University of New South Wales gebruiken er scanning tunnelling microscopy hydrogen lithography voor. Hierbij bedek je een plak silicium eerst met een laag waterstofatomen. Door die selectief weg te tikken met de naald van een STM-microscoop leg je het gewenste patroon bloot, waarna je het geheel behandelt met fosfine (PH3) om de ontstane gaten te vullen met kluitjes fosforatomen.
Die kluitjes vormen zowel de eigenlijke kwantumdots als de die dienen als elektrische aansluitingen. Een silicium deklaagje zorgt dat het fosfor niet meer weg kan. Het grote voordeel van deze techniek, die Simmons’ groep als enige ter wereld goed beheerst, is dat je de afstanden tussen de kwantumdots heel nauwkeurig kunt instellen.
De huidige publicatie beschrijft een fysieke representatie van het in kwantumkringen vermaarde Su-Schrieffer-Heegermodel. Chemici herkennen er direct polyacetyleen in, een zigzaggende koolstofketen met afwisselend enkele en dubbele bindingen. Het verschil in bindingslengte is groot genoeg om na te bootsen met de plaatsing van de kwantumdots en de Australiërs hebben meteen maar twee versies gemaakt, met enkele óf dubbele bindingen aan de uiteinden van het ketenfragment. De metingen bevestigen dat dit behoorlijk uitmaakt voor de manier waarop elektronen zichzelf van dot naar dot tunnelen.
Het belangrijkste is dat de experimentele waarden overeenkomen met wat je krijgt als je het model doorrekent op een klassieke computer. En dat schept hoop voor de toekomst: verwerk je meer dots in je systeem dan de huidige tien, dan kunnen de huidige computers het rekenwerk niet meer aan en zul je blindelings op de kwantumresultaten moeten vertrouwen. Simmons droomt nu al van het ontrafelen van fotosynthese, waaraan heel veel meer dan tien koolstofatomen te pas komen.
In persberichten verwijst ze naar nanogoeroe Richard Feynman, die zestig jaar geleden voorspelde dat je de natuur pas echt kunt begrijpen als je haar kunt nabouwen op dezelfde lengteschaal. Met haar kwantumdots, die zo’n 10 nm uit elkaar liggen, zit ze daar nog amper twee ordegroottes boven.
M. Kiczynski, et al. (2022) Nature 606, doi.org/10.1038/s41586-022-04706-0
Nog geen opmerkingen