Ein multidisziplinäres Wissenschaftlerteam in den USA unter der Leitung des Physikers Peng Wei von der University of California in Riverside hat ein neues Supraleitermaterial entwickelt, das möglicherweise in der Quanteninformatik eingesetzt werden könnte und ein Kandidat für einen „topologischen Supraleiter“ wäre.
Topologie ist die Mathematik der Form. Ein topologischer Supraleiter nutzt einen delokalisierten Zustand eines Elektrons oder Lochs (ein Loch verhält sich wie ein Elektron mit positiver Ladung), um Quanteninformationen zu übertragen und Daten auf robuste Weise zu verarbeiten.
Die Forscher Bericht In Wissenschaftliche Fortschritte dass sie trigonales Tellur mit einem Oberflächensupraleiter kombinierten, der an der Oberfläche eines dünnen Goldfilms erzeugt wurde. Der Titel des Artikels lautet „Signaturen einer spinaktiven Schnittstelle und eines lokal verstärkten Zeeman-Felds in einer Heterostruktur aus Supraleiter und chiralem Material“.
Trigonales Tellur ist ein chirales Material, das heißt, es kann nicht wie unsere linke und rechte Hand auf sein Spiegelbild gelegt werden. Trigonales Tellur ist außerdem nicht magnetisch. Dennoch beobachteten die Forscher an der Schnittstelle Quantenzustände, die eine wohldefinierte Spinpolarisation aufweisen. Die Spinpolarisation ermöglicht es, die Anregungen potenziell zur Erzeugung eines Spinquantenbits – oder Qubits – zu nutzen.
„Indem wir eine sehr saubere Schnittstelle zwischen dem chiralen Material und Gold geschaffen haben, haben wir einen zweidimensionalen Schnittstellen-Supraleiter entwickelt“, sagte Wei, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie.
„Der Grenzflächen-Supraleiter ist einzigartig, da er in einer Umgebung existiert, in der die Spinenergie sechsmal höher ist als in herkömmlichen Supraleitern.“
Die Forscher beobachteten, dass der Grenzflächen-Supraleiter in einem Magnetfeld einen Übergang durchmacht und bei hohem Feld robuster wird als bei niedrigem Feld, was auf einen Übergang zu einem „Triplett-Supraleiter“ hindeutet, der in einem Magnetfeld stabiler ist.
Darüber hinaus zeigten die Forscher in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des National Institute of Standards and Technology, dass ein solcher Supraleiter mit heterostrukturierten Gold- und Niob-Dünnschichten auf natürliche Weise Dekohärenzquellen durch Materialdefekte wie Nioboxide unterdrückt, die bei Niob-Supraleitern ein häufiges Problem darstellen.
Sie zeigten, dass aus dem Supraleiter hochwertige, verlustarme Mikrowellenresonatoren mit einem Qualitätsfaktor von bis zu 1 Million hergestellt werden können.
Die neue Technologie findet laut dem multinationalen Technologieunternehmen IBM Anwendung in der Quanteninformatik, einem Bereich, der sich die Quantenmechanik zunutze macht, um komplexe Probleme zu lösen, die klassische Computer oder Supercomputer nicht oder nicht schnell genug lösen können.
„Wir haben dies mit Materialien erreicht, die eine Größenordnung dünner sind als die, die normalerweise in der Quantencomputerbranche verwendet werden“, sagte Wei. „Die verlustarmen Mikrowellenresonatoren sind kritische Komponenten des Quantencomputers und könnten zu verlustarmen supraleitenden Qubits führen. Die größte Herausforderung beim Quantencomputer besteht darin, die Dekohärenz oder den Quanteninformationsverlust in einem Qubit-System zu reduzieren.“
Dekohärenz tritt auf, wenn ein Quantensystem mit seiner Umgebung interagiert, was dazu führt, dass die Informationen des Systems mit denen der Umgebung vermischt werden. Dekohärenz stellt eine Herausforderung für die Realisierung von Quantencomputern dar.
Im Gegensatz zu früheren Methoden, die magnetische Materialien erfordern, verwendet der neue Ansatz der Forscher nichtmagnetische Materialien für eine sauberere Schnittstelle.
„Unser Material könnte ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung skalierbarerer und zuverlässigerer Quantencomputerkomponenten sein“, sagte Wei.
Seine Doktoranden an der UCR unterstützten Wei bei seiner Forschung.
Die Technologie wurde dem UCR Office of Technology Partnerships offengelegt und ein vorläufiges Patent wurde angemeldet.
Weitere Informationen:
Cliff Chen et al, Signaturen einer spinaktiven Schnittstelle und eines lokal verstärkten Zeeman-Felds in einer Heterostruktur aus supraleitendem und chiralem Material, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado4875. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado4875