Quantenmaterial auf Knopfdruck: So werden Supraleiter programmierbar
Forschende machen Supraleiter programmierbar. Eine chemische Feinjustierung steuert Quantenphasen und erleichtert den Bau stabiler Quantenchips.
Haoran Lin, Doktorand bei Assistenzprofessor Shuolong Yang, ist Erstautor einer neuen Veröffentlichung, die einen Weg aufzeigt, wie Materialien mit exotischen Eigenschaften topologischer Supraleiter durch einfache Anpassung der chemischen Zusammensetzung hergestellt werden können.
Foto: John Zich
Quantencomputer gelten als Hoffnungsträger für Rechenprobleme, an denen selbst heutige Supercomputer scheitern. Dazu zählen etwa die Simulation komplexer Moleküle oder bestimmte Optimierungsaufgaben. Der Haken liegt nicht in der Theorie, sondern im Material.
Für robuste Quantenrechner braucht es Supraleiter mit speziellen, sogenannten topologischen Eigenschaften. Genau diese Materialien sind bislang schwer kontrollierbar. Ein Forschungsteam aus den USA zeigt nun einen Weg, wie sich solche Quantenphasen gezielt einstellen lassen – fast wie mit einem Drehregler.
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Chemie statt Zufall
Im Zentrum der Arbeit steht ein Material mit dem sperrigen Namen Eisen-Tellurid-Selenid. Es gehört zu einer Klasse von Quantenmaterialien, in denen mehrere Effekte gleichzeitig auftreten: Supraleitung, starke Spin-Bahn-Kopplung und ausgeprägte Wechselwirkungen zwischen Elektronen. Diese Mischung gilt als vielversprechend für topologische Supraleiter.
Forschende der University of Chicago und der West Virginia University haben nun gezeigt, dass sich die Eigenschaften dieses Materials gezielt steuern lassen. Der Schlüssel liegt in der chemischen Zusammensetzung. Genauer gesagt im Verhältnis von Tellur zu Selen in ultradünnen Schichten des Materials.
Durch kleine Änderungen dieser Mischung konnten die Forschenden das Material zwischen verschiedenen Quantenphasen umschalten. Darunter auch ein Zustand, der als topologischer Supraleiter gilt – also genau das, was für stabile Quantenbauelemente benötigt wird.
Elektronen unter Kontrolle
Warum funktioniert das? Entscheidend sind die sogenannten elektronischen Korrelationen. Gemeint ist, wie stark sich Elektronen gegenseitig beeinflussen. Sind diese Wechselwirkungen zu stark, blockieren sich die Elektronen gegenseitig. Sind sie zu schwach, gehen die besonderen topologischen Eigenschaften verloren.
Haoran Lin, Doktorand an der Pritzker School of Molecular Engineering und Erstautor der Studie, beschreibt das so: „Wir können diesen Korrelationseffekt wie einen Drehknopf einstellen.“
Er ergänzt: „Wenn die Korrelationen zu stark sind, werden die Elektronen an Ort und Stelle eingefroren. Wenn sie zu schwach sind, verliert das Material seine besonderen topologischen Eigenschaften. Aber bei genau dem richtigen Maß erhält man einen topologischen Supraleiter.“
Damit wird ein abstrakter quantenphysikalischer Effekt plötzlich greifbar. Die Chemie übernimmt die Rolle eines Reglers für Quantenzustände.
Dünnschichten statt Kristallbrocken
Bisher untersuchten viele Arbeitsgruppen sogenannte Volumenkristalle dieses Materials. Diese lassen sich zwar herstellen, sind aber unhandlich. Ihre Zusammensetzung kann lokal schwanken, und sie eignen sich schlecht für technische Anwendungen.
Das neue Ergebnis setzt bewusst auf Dünnschichten. Diese lassen sich gleichmäßiger herstellen und besser kontrollieren. Zudem passen sie zu etablierten Verfahren der Halbleiter- und Bauelementefertigung.
Subhasish Mandal von der West Virginia University ordnet das Material ein: „Dies ist ein einzigartiges Material, da es alle wesentlichen Bestandteile vereint, die man sich für eine Plattform für topologische Supraleitung wünschen würde.“ Er sagt weiter: „Diese Kombination macht es zu einem idealen System, um zu untersuchen, wie verschiedene Quanteneffekte interagieren und miteinander konkurrieren.“
Vorteile für künftige Quantenchips
Auch praktisch bringt das Material Vorteile. Die untersuchten Dünnschichten zeigen Supraleitung bis etwa 13 Kelvin. Das ist deutlich mehr als bei vielen anderen Kandidaten, die oft nur nahe 1 Kelvin arbeiten. Für den Betrieb reicht damit Standard-Flüssighelium. Der Kühlaufwand sinkt.
„Wenn man dieses Material für eine reale Anwendung nutzen möchte, muss man es in einem dünnen Film züchten können“, erklärt Lin. „Anstatt zu versuchen, Schichten von einem Gestein abzuschälen, das möglicherweise keine einheitliche Zusammensetzung aufweist.“
Mehrere Gruppen arbeiten bereits daran, die Filme weiter zu strukturieren und daraus konkrete Quantenbauelemente zu entwickeln. Parallel untersuchen die Forschenden weitere Eigenschaften der Schichten, etwa ihre Stabilität und ihr Verhalten unter äußeren Feldern.
Ein Werkzeug für gezieltes Design
Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht. Sie zeigen weniger einen fertigen Quantenchip als vielmehr ein neues Werkzeug. Statt exotische Zustände zufällig zu finden, lassen sie sich gezielt einstellen.
Shuolong Yang, leitender Autor der Arbeit, fasst das so zusammen: „Dies eröffnet eine neue Richtung für die Forschung an Quantenmaterialien.“ Er betont: „Wir haben ein leistungsfähiges Werkzeug entwickelt, um die Art von Materialien zu entwerfen, die Quantencomputer der nächsten Generation benötigen werden.“
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