Forscher der University of California, Santa Barbara haben in Silizium ein robustes, neuartiges Quantenbit entdeckt, das als CN-Zentrum bezeichnet wird. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift „Physical Review B“ veröffentlicht. Diese Entdeckung könnte leichter herzustellende und stabilere Quantenbausteine für Quantentechnologien bereitstellen.
Quantenbits können auf atomaren Defekten in Kristallen basieren. Frühere Forschungen konzentrierten sich auf das T-Zentrum in Silizium, das aus einem Kohlenstoff- und einem Wasserstoffatom besteht und im Telekommunikationswellenlängenbereich leuchten kann – Licht in diesem Bereich kann mit geringen Verlusten über Glasfasern übertragen werden. Die Anwesenheit von Wasserstoff im T-Zentrum macht seine Struktur jedoch anfällig und empfindlich gegenüber Herstellungsbedingungen. Wasserstoffatome sind im Kristall mobil und schwer zu kontrollieren, was die wiederholbare Herstellung von Bauelementen erschwert.
In der neuen Studie entdeckte die von Professor Chris Van de Walle geleitete Forschungsgruppe für Computermaterialien eine Alternative: das CN-Zentrum, das aus einem Kohlenstoff- und einem Stickstoffatom besteht. „Im Gegensatz zum T-Zentrum enthält dieser Defekt keinen Wasserstoff und ist daher stabiler und leichter in praktischen Bauelementen zu realisieren“, sagte der Projektleiter und Postdoktorand Kevin Nangoi. Das Team modellierte den Defekt auf atomarer Ebene mit fortschrittlichen ab-initio-Computersimulationsmethoden.
Mark Turiansky, der an dem Projekt beteiligt war, wies darauf hin: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das CN-Zentrum die Schlüsseleigenschaften der Elektronik und Optik reproduziert, die das T-Zentrum für Quantenanwendungen attraktiv machen; das Zentrum ist strukturell stabil und kann Licht im Telekommunikationswellenlängenbereich erzeugen.“ Turiansky ist Mitglied der Forschungsgruppe und derzeit Postdoktorand am US Naval Research Laboratory. Die Entdeckung eines wasserstofffreien Quantenlichtemitters für Telekommunikationswellenlängen in Silizium ist ein wichtiger Schritt, um die Lücke zwischen Quantenwissenschaft und skalierbarer Technologie zu schließen.
Van de Walle blickte voraus: „Wenn es experimentell bestätigt wird, könnte das CN-Zentrum als praktischer neuer Baustein für Quantenbauelemente dienen und möglicherweise die Entwicklung fortschrittlicher Quantentechnologien beschleunigen, während dasselbe Siliziummaterial wie in der heutigen Elektronik verwendet wird.“ Die Studie wurde vom US-Energieministerium, Office of Science, Basic Energy Sciences Program finanziert.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: JK Nangoi et al., Titel: „Carbon-nitrogen complexes as an alternative to T centers in silicon“, veröffentlicht in: „Physical Review B“ (2026). Zeitschrifteninfo: Physical Review B, arXiv
