Diese extrem dünnen Materialien (sogenannte "Dünnschichten") bestehen aus einer Mischung auf Yttriumoxid-Basis mit etwas Europium, zwei "Seltenen Erden". Ihr Vorteil? Sie können Quanteninformation für eine ausreichend lange Zeit – etwa eine Mikrosekunde – speichern, was sehr vielversprechend für die Entwicklung kleiner und effizienter Quantengeräte ist.
Aber worum geht es genau?
Quantentechnologien zielen darauf ab, bestimmte erstaunliche Eigenschaften der Materie zu nutzen, um die Speicherung und Übertragung von Informationen weit über die Möglichkeiten klassischer Technologien hinaus zu verbessern. Eine der großen Herausforderungen besteht darin, diese Quanteninformationen lange genug stabil zu halten, um sie nutzen zu können. Und dafür sind bestimmte Materialien, insbesondere solche mit Europium-Ionen, besonders interessant.
Das Problem besteht darin, diese Materialien in hochminiaturisierte Geräte zu integrieren, die mit aktuellen elektronischen Komponenten, insbesondere solchen aus Silizium (wie den Chips in unseren Computern und Telefonen), kompatibel sind. Um dies zu erreichen, müssen die Forscher extrem dünne Materialschichten von einwandfreier Qualität herstellen.
Hier kommt die Innovation des Teams des Institut de recherche de chimie de Paris (CNRS/Chimie ParisTech/PSL Université) ins Spiel. Sie haben eine neue Herstellungstechnik entwickelt, indem sie zwei ausgeklügelte Methoden kombinierten: die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und die Molekularstrahlepitaxie (MBE).
Epitaktische Y2O3:Eu3+-Dünnschicht auf Gd2O3/Si-Substrat.
(a) Schematische Darstellung der Mehrschichtstruktur.
(b) Oberflächenmorphologie der Y2O3:Eu3+-Schicht, beobachtet durch Rasterelektronenmikroskopie (REM).
Durch diesen hybriden Ansatz gelang es ihnen, eine Schicht aus Yttriumoxid mit Europium-Ionen Eu3+ auf Silizium abzuscheiden, die bemerkenswerte physikalische und quantenphysikalische Eigenschaften aufweist.
Ein technisches, aber wichtiges Detail: Um dieses Ergebnis zu erzielen, fügten sie zwischen das Silizium und das aktive Material eine dünne Schicht aus Gadoliniumoxid (Gd2O3) ein. Diese "Pufferschicht" verbessert die Qualität des Films und fördert ein besseres Quantenverhalten.
Tests bei sehr niedrigen Temperaturen bestätigten das Potenzial dieser Struktur. Die Forscher konnten messen, dass die Quantenzustände des Europiums in diesem Material eine Mikrosekunde anhielten – zehnmal besser als bei früheren Versuchen mit demselben Material und unter den derzeit besten Ergebnissen auf diesem Gebiet. Vereinfacht gesagt: Man sendet einen Lichtimpuls in das Material, dieser wird absorbiert und wieder emittiert, und man misst, wie lange die Rückkehr dauert. Diese Zeit gibt einen guten Hinweis auf das "Quantengedächtnis" des Materials.
Dieses Ergebnis ebnet den Weg für eine neue Generation kleiner, integrierter Quantengeräte. Sie könnten dazu dienen, Informationen in Form von Licht zu speichern oder zu übertragen – ähnlich wie Bits, aber in der Quantenversion: optische Qubits.
Und das ist erst der Anfang: Die Forscher hoffen, ihre Methode auf andere Seltene Erden wie Erbium anwenden zu können, dessen Eigenschaften noch besser für Telekommunikationstechnologien geeignet sind.
Kurz gesagt, ein Fortschritt, der Quantentechnologien einem konkreten und industriellen Einsatz ein Stück näher bringt. Diese Forschung ist in der Zeitschrift Nanophotonics veröffentlicht.