„Heiliger Gral“ der Quantenphysik? Neues Material sorgt für Aufsehen
Triplet-Supraleiter könnten Quantencomputer stabiler und energieärmer machen. Eine spezielle Legierung zeigt erste vielversprechende Signaturen.
Jacob Linder und seine Kollegen sind auf der Suche nach einem Triplett-Supraleiter. Aber was genau ist das? Das blaue Ding auf dem Bild – natürlich! Es zeigt die Umwandlung eines Singulett-Supraleiters in einen Triplett-Supraleiter.
Foto: Geir Mogen, NTNU
Quantencomputer gelten als nächste Evolutionsstufe der Rechentechnik. Sie sollen komplexe Moleküle simulieren, neue Materialien berechnen oder Verschlüsselungen knacken. Doch zwischen Vision und Alltag liegt ein handfestes Problem: Stabilität und Energiebedarf.
Genau hier setzen Physiker der Norwegian University of Science and Technology an. Ihr Fokus liegt auf einem Materialtyp, der seit Jahren als Wunschkandidat gehandelt wird: dem Triplet-Supraleiter.Triplet-Supraleiter könnten Quantencomputer stabiler und energieärmer machen. Eine spezielle Legierung zeigt erste vielversprechende Signaturen.
„Ein Triplet-Supraleiter steht ganz oben auf der Wunschliste vieler Physiker, die auf dem Gebiet der Festkörperphysik arbeiten“, sagt Professor Jacob Linder. Und er wird noch deutlicher: „Materialien, die Triplet-Supraleiter sind, gelten als eine Art ‚Heiliger Gral‘ der Quantentechnologie, insbesondere der Quanteninformatik.“
Inhaltsverzeichnis
Warum heutige Quantencomputer zicken
Die meisten Quantenchips basieren auf Supraleitern. Diese Materialien leiten Strom ohne elektrischen Widerstand. Das spart Energie und ist die Grundlage vieler Qubit-Architekturen.
Trotzdem sind diese Systeme empfindlich. Ein wenig elektromagnetisches Rauschen, minimale Temperaturschwankungen – und der Quantenzustand bricht zusammen. Rechenfehler sind die Folge.
„Eine der größten Herausforderungen in der Quantentechnologie besteht heute darin, einen Weg zu finden, Computeroperationen mit ausreichender Genauigkeit durchzuführen“, erklärte Linder. Mit anderen Worten: Die Hardware kann viel, aber sie bleibt nervös.
Spin als zusätzliche Spur
Hier kommt der Spin ins Spiel. Elektronen tragen nicht nur elektrische Ladung, sondern auch eine quantenmechanische Eigenschaft namens Spin. Vereinfacht gesagt ist das eine Art interne Ausrichtung.
In herkömmlichen Supraleitern – sogenannten Singlet-Supraleitern – gleichen sich die Spins der Elektronenpaare aus. Das System hat insgesamt keinen Spin. Strom fließt verlustfrei, Spin jedoch nicht.
Bei Triplet-Supraleitern sieht das anders aus. Dort besitzen die Elektronenpaare einen gemeinsamen Spin. „Die Tatsache, dass Triplett-Supraleiter einen Spin haben, hat eine wichtige Konsequenz. Wir können nun nicht nur elektrische Ströme, sondern auch Spinströme ohne jeglichen Widerstand transportieren“, erklärte Linder.
Das ist der eigentliche Clou. Informationen ließen sich nicht nur als Strom, sondern auch als Spin transportieren – und das ohne Energieverlust. Theoretisch könnten Sie damit extrem schnelle Rechner betreiben, die kaum elektrische Leistung benötigen.
NbRe: Ein heißer Kandidat bei 7 Kelvin
Gemeinsam mit italienischen Partnern hat das Team eine Legierung aus Niob und Rhenium untersucht, kurz NbRe. Die Ergebnisse erschienen in Physical Review Letters und wurden dort besonders hervorgehoben.
„In unserem veröffentlichten Artikel zeigen wir, dass das Material NbRe Eigenschaften aufweist, die mit Triplett-Supraleitung übereinstimmen“, sagte Linder.
Die Messdaten zeigen ein Verhalten, das nicht zu einem klassischen Singlet-Supraleiter passt. „Unsere experimentellen Untersuchungen zeigen, dass sich das Material völlig anders verhält, als wir es von einem herkömmlichen Singulett-Supraleiter erwarten würden“, fügte Linder hinzu.
Bestätigung steht noch aus
Noch bleibt er vorsichtig. „Es ist noch zu früh, um endgültig zu sagen, ob das Material ein Triplett-Supraleiter ist. Unter anderem muss die Entdeckung von anderen Forschungsgruppen überprüft werden. Außerdem müssen weitere Tests zur Triplett-Supraleitung durchgeführt werden.“
Interessant ist auch die Temperatur. NbRe wird bei 7 K supraleitend. Das entspricht etwa –266 °C. Das klingt extrem. In der Tieftemperaturphysik ist das jedoch fast komfortabel. Andere Kandidaten brauchen rund 1 K. 7 K bedeuten weniger Aufwand bei der Kühlung – und damit realistischere Perspektiven für größere Systeme.
Mehr als nur ein akademischer Traum?
Triplet-Supraleiter sind kein neues Konzept. Seit Jahren suchen Physiker weltweit nach klaren Belegen. Viele Kandidaten erwiesen sich als Grenzfälle oder als falsch interpretiert.
Sollte sich NbRe bestätigen, hätte das Folgen über die Quanteninformatik hinaus. Auch die Spintronik – also Elektronik, die gezielt mit Spins arbeitet – könnte profitieren. Bauelemente könnten schneller und energieärmer arbeiten als heutige Chips.
Der Weg zur industriellen Anwendung bleibt lang. Niob und Rhenium sind keine Allerweltsmetalle. Materialreinheit, Fertigung und Integration in bestehende Architekturen sind offene Fragen.
Trotzdem zeigt die Arbeit aus Trondheim, wohin die Reise geht. Wer energieeffiziente Quantencomputer will, muss bei den Materialien ansetzen. Genau dort entscheidet sich, ob aus einem empfindlichen Laboraufbau irgendwann robuste Technologie wird.
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