Quantenmaterialien: Kölner Forscher erzielen Durchbruch in topologischer Supraleitung und Quantencomputer-Speicherung
Forscherinnen und Forscher der Universität zu Köln haben einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Quantenmaterialien erzielt, der möglicherweise die Grundlage für Fortschritte in der topologischen Supraleitung und der sicheren Speicherung von Informationen für Quantencomputer schafft. Die Forschungsergebnisse wurden in dem renommierten Fachjournal Nature Physics veröffentlicht. Klingt fancy, oder?
Aber was genau haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler denn nun herausgefunden? Nun, sie haben demonstriert, dass es machbar ist, supraleitende Effekte in bestimmten Materialien zu erzeugen, bei denen der Strom ausschließlich entlang der äußeren Kanten fließt. Das klingt vielleicht nicht so spektakulär, aber diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven in der Erforschung fortschrittlicher Quantenzustände, die für die Entwicklung stabiler und effizienter Quantencomputer von entscheidender Bedeutung sein könnten. Und das ist definitiv aufregend!
Der ungewöhnliche Quanten-Hall-Effekt ermöglicht ebenfalls eine leitungslose Übertragung von Strom, jedoch mit der Eigenschaft, dass der Strom ausschließlich entlang der Ränder, nicht aber im Inneren des Materials fließt. Das ist ein bisschen wie eine Straße, auf der nur die Randstreifen befahrbar sind, während die eigentliche Fahrbahn leer bleibt. Klingt komisch, ist aber so! In der Theorie können Supraleiter in Kombination mit dem anomalen Quanten-Hall-Effekt sogenannte Majorana-Fermionen hervorbringen, die in topologischen Supraleitern auf eine geschützte Art und Weise vorkommen können. Majorana-Fermionen sind ziemlich coole Partikel, die das Potenzial haben, zukünftige Technologien wie Quantencomputer grundlegend zu verändern.
Um diese Kombination zu erreichen, haben die Kölner Forscherinnen und Forscher die Supraleitung im Randbereich eines bereits widerstandsfreien anomalen Quanten-Hall-Isolators induziert. Klingt kompliziert, ist es auch! Aber im Grunde genommen haben sie dünnen Schichten des anomalen Quanten-Hall-Isolators verwendet und mit einer supraleitenden Niob-Elektrode kontaktiert, um an den Rändern chirale Majorana-Zustände zu erzeugen. Das ist ein bisschen wie das Kochen eines aufregenden Gerichts, bei dem man verschiedene Zutaten miteinander kombiniert, um etwas Neues und Aufregendes zu schaffen. In diesem Fall sind die Zutaten eben die Materialien und Elektroden.
Die Forscherinnen und Forscher haben fünf Jahre lang intensiv an diesem Experiment gearbeitet und sind endlich zu einem Ergebnis gekommen. Wenn sie ein Elektron durch eine Zuleitung in das Isolatormaterial einspeisen, findet eine Reflexion statt, bei der ein Elektron in einem Lochzustand in einer anderen Zuleitung erzeugt wird. Klingt ein bisschen wie eine verrückte Karussellfahrt für Elektronen, oder? Dieses Phänomen, bekannt als gekreuzte Andreev-Reflexion, erlaubt es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die induzierte Supraleitung im topologischen Randzustand nachzuweisen.
Das ist natürlich ein großer Erfolg für die Forschung, denn viele Forscherinnen und Forscher haben in den letzten Jahren versucht, dieses Experiment durchzuführen, jedoch ohne Erfolg. Die Kölner Forscherinnen und Forscher haben es geschafft, weil sie das Wachstum der dünnen Schichten des ungewöhnlichen Quanten-Hall-Isolators, die Herstellung der Bauelemente und die Messungen bei extrem niedrigen Temperaturen alle im selben Labor durchgeführt haben. Das ist so, als würde man alle Zutaten für das aufregende Gericht im selben Topf kochen – es schafft eine besondere Verbindung und ermöglicht ein besseres Ergebnis.
Natürlich haben die Kölner Forscherinnen und Forscher nicht alleine an dieser Entdeckung gearbeitet. Sie haben eng mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der KU Leuven, der Universität Basel und dem Forschungszentrum Jülich zusammengearbeitet. Zusammen haben sie diese vielversprechenden Erkenntnisse gewonnen, die nun zahlreiche Möglichkeiten für zukünftige Forschungsbemühungen eröffnen. Insbesondere das Exzellenzcluster ML4Q hat einen entscheidenden Beitrag zu den theoretischen Analysen geleistet, die zu diesem Durchbruch geführt haben.
Als nächstes werden weitere Experimente durchgeführt, um das Vorkommen von chiralen Majorana-Fermionen eindeutig zu bestätigen und um ihre bemerkenswerten Eigenschaften genauer zu untersuchen. Das Verständnis und die Nutzung von topologischer Supraleitung und chiralen Majorana-Kantenzuständen sind von großer Bedeutung für die Entwicklung stabiler Qubits, die die Grundlage für Quantencomputer bilden. Diese Qubits könnten weniger anfällig für Dekohärenz und Informationsverlust sein und somit eine Revolution in der Quanteninformatik darstellen. Die präsentierte Plattform in dieser Studie eröffnet vielversprechende Perspektiven, die potenziell zu robusteren und skalierbaren Quantencomputern führen könnten.
Insgesamt ist diese Entdeckung ein großer Schritt nach vorne in der Erforschung von Quantenmaterialien und ihren Anwendungen. Die Forscherinnen und Forscher haben gezeigt, dass es möglich ist, supraleitende Effekte in bestimmten Materialien zu erzeugen und somit die Grundlage für Fortschritte in der topologischen Supraleitung und der sicheren Speicherung von Informationen für Quantencomputer zu schaffen. Es bleibt abzuwarten, welche weiteren Entdeckungen und Fortschritte in diesem spannenden Bereich der Quantenphysik noch gemacht werden.
Schlagwörter: Köln + Yoichi Ando + Nature Physics“
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