Forscher entwickeln topologische Supraleiter für Quantencomputing

Quantencomputer verarbeiten Informationen mithilfe von Quantenbits oder Qubits, die auf fragilen, kurzlebigen quantenmechanischen Zuständen basieren. Um Qubits robust zu machen und sie für Anwendungen anzupassen, versuchten Forscher des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums, ein neues Materialsystem zu schaffen.

„Wir verfolgen einen neuen Weg zur Entwicklung von Quantencomputern unter Verwendung neuartiger Materialien“, sagte ORNL-Materialwissenschaftler Robert Moore, der einer der Leiter war eine Studie veröffentlicht in Fortgeschrittene Werkstoffe mit ORNL-Kollege Matthew Brahlek, der ebenfalls Materialwissenschaftler ist.

Sie koppelten einen Supraleiter, der elektrischem Strom keinen Widerstand bietet, mit einem topologischen Isolator, der elektrisch leitende Oberflächen, aber ein isolierendes Inneres hat. Das Ergebnis ist eine atomar scharfe Grenzfläche zwischen kristallinen Dünnfilmen mit unterschiedlicher symmetrischer Anordnung der Atome. Die neuartige Schnittstelle, die sie entworfen und konstruiert haben, könnte zu exotischer Physik führen und einen einzigartigen Quantenbaustein mit Potenzial als überlegenes Qubit beherbergen.

„Die Idee besteht darin, Qubits aus Materialien herzustellen, die robustere quantenmechanische Eigenschaften haben“, sagte Moore. „Wichtig ist, dass wir gelernt haben, die elektronische Struktur des topologischen Isolators und des Supraleiters unabhängig voneinander zu steuern, sodass wir die elektronische Struktur an dieser Schnittstelle anpassen können. Dies war noch nie geschehen.“

Durch die Steuerung der elektronischen Struktur auf beiden Seiten einer Grenzfläche können im Inneren des Materials sogenannte Majorana-Partikel entstehen. „In der Natur gibt es Teilchen und Antiteilchen, zum Beispiel Elektronen und Positronen, die sich gegenseitig vernichten, wenn sie in Kontakt kommen. Ein Majorana-Teilchen ist sein eigenes Antiteilchen“, sagte Moore. Im Jahr 1937 sagte Ettore Majorana die Existenz dieser exotischen Teilchen voraus, deren Existenz noch bewiesen werden muss.

Im Jahr 2008 schlugen die theoretischen Physiker Liang Fu und Charlie Kane von der University of Pennsylvania vor, dass die Schaffung einer neuartigen Schnittstelle zwischen einem topologischen Isolator und einem Supraleiter topologische Supraleitung erzeugen würde, eine neue Phase der Materie, die voraussichtlich Majorana-Teilchen beherbergen wird.

„Wenn man ein Paar Majorana-Partikel hat und sie umeinander bewegt, gibt es eine Erinnerung an diese Bewegung. Sie kennen immer den Standort des anderen“, sagte Moore. „Dieser Prozess könnte genutzt werden, um Quanteninformationen zu kodieren und auf neue Weise zu berechnen.“

Die Realisierung einer neuen Phase der Materie, die Majorana-Partikel beherbergen kann, hängt jedoch von der Suche nach dem richtigen Material ab. Eine solche Leistung erfordert ein vielfältiges Expertenteam.

Als Moore 2019 zum ORNL kam, brachte er eine neue Expertise in der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES) mit, einer Technik zur Untersuchung der elektronischen Struktur von Materialien. ARPES basiert auf dem photoelektrischen Effekt, für den Albert Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt. Es fokussiert eine Lichtquelle auf eine Probe und charakterisiert Elektronen, die von der Materialoberfläche ausgestoßen werden, wenn die Elektronen Energie von den Photonen absorbieren. Die Technik hilft Wissenschaftlern zu verstehen, wie sich Elektronen in einem Material verhalten.

Diese strategische Investition in die ARPES-Expertise verhalf dem ORNL zum Sieg bei der Bewerbung um die Leitung eines der fünf DOE National Quantum Information Science Research Centers, des Quantum Science Center, das 2020 gegründet wurde. Unter der Leitung von Travis Humble vom ORNL zielt das QSC darauf ab, Quantencomputer- und Sensoranwendungen zu realisieren durch die Entwicklung von Hardware und Algorithmen und die Entdeckung neuartiger Materialien. Moore und seine Kollegen konzentrieren sich auf topologische Materialien für die Hardwareentwicklung. Seit April leitet Moore außerdem gemeinsam mit Ben Mintz das Interconnected Science Ecosystem (INTERSECT) des ORNL, um Labore der Zukunft zu entwickeln – intelligente, autonom kontrollierte Prozesse und Experimente mit dem Potenzial, Forschungsergebnisse zu revolutionieren.

Brahlek, der 2018 zum ORNL kam und kürzlich einen DOE Early Career Research Award erhielt, ist Experte für Präzisionssynthese von Materialien. Um superreine Grenzflächen zwischen einem Supraleiter und einem topologischen Isolator herzustellen, nutzte er die Molekularstrahlepitaxie, eine Methode, die die Industrie zur großtechnischen Herstellung von Halbleitern für elektronische Geräte nutzt.

Mit Hilfe des ehemaligen Postdoktoranden Tyler Smith führte Brahlek die Synthese im Ultrahochvakuum durch. „In der Kammer hüpfen weniger Moleküle herum als im Weltraum. Es ist eine wirklich saubere Umgebung. Sie muss gut kontrolliert werden“, sagte Brahlek. „Man beginnt mit kleinen Öfen, von denen jeder ein Element enthält. Jeder Ofen erhitzt sich, bis das Element im Inneren zu sublimieren beginnt oder vom festen in den Dampfzustand übergeht. Dadurch entstehen Strahlen aus Elementen. Sie laufen alle auf einem Kristallsubstrat zusammen und haften daran.“

Er lagerte Eisen, Selen und Tellur gemeinsam ab, um einen Supraleiter mit einer Dicke von einer Atomschicht herzustellen. „Wenn die Bedingungen genau richtig sind, werden sich die abgeschiedenen Atome chemisch verbinden und Atomschicht für Atomschicht zu einem kristallinen dünnen Film zusammenfügen“, sagte Brahlek.

„Ein Schlüssel zum Erhalt der Ergebnisse war das Verständnis, wie man Wismuttellurid mit Eisenselenidtellurid an einer atomaren Grenzfläche kombinieren kann, um das gewünschte elektronische Verhalten zu erzielen“, sagte Brahlek.

Diese Leistung war schwierig, da das Gitter des Supraleiters aus Eisen, Selen und Tellur aus geordneten quadratischen Zellen besteht, während der topologische Isolator ein Netzwerk aneinandergrenzender Dreiecke ist. „Wir legen etwas Quadratisches auf etwas Dreieckiges, aber überraschenderweise wächst der kristalline Film gut“, sagte Brahlek. „Diese Leistung erfordert ein Verständnis der Physik und Chemie, die an diesen Grenzflächen ablaufen, was für die Kombination topologischer und supraleitender Eigenschaften in einer einzigen Plattform von entscheidender Bedeutung ist.“

Diese Plattform ist der topologische Supraleiter. Um seine topologischen Eigenschaften zu verstehen, nutzte Moore mit Hilfe des ORNL-Postdoktoranden Qiangsheng Lu spinaufgelöste ARPES, um die quantenspinabhängige elektronische Struktur an der Schnittstelle des topologischen Isolators und des Supraleiters zu untersuchen. Um sein supraleitendes Verhalten zu bestätigen, halfen Brahlek und die ehemaligen Postdoktoranden des ORNL, Yun-Yi Pai und Michael Chilcote, bei der Messung des elektrischen Widerstands.

„Wir konnten sehen, wie die verschiedenen elektronischen Strukturen an der Grenzfläche interagieren, und wir konnten diese Wechselwirkungen kontrollieren, um sicherzustellen, dass alle Zutaten für die topologische Supraleitung vorhanden sind“, sagte Moore. „Wir haben herausgefunden, dass die gewünschten topologischen Eigenschaften nur für bestimmte Dotierungsbereiche von Selen existieren. Das war eine Überraschung, die für die Herstellung von Qubits von entscheidender Bedeutung ist.“

Unterdessen nutzten Hoyeon Jeon und An-Ping Li vom ORNL-Zentrum für Nanophasenmaterialwissenschaften Rastertunnelmikroskopie, um Unordnung in den Materialien zu charakterisieren. Die ORNL-Mitarbeiter Hu Miao und Satoshi Okamoto lieferten während der gesamten Studie experimentelle und theoretische Anleitungen.

Es bleiben entscheidende Herausforderungen. „Wir müssen die Materialien auf atomarer Ebene verbessern und besser verstehen, was für die Bestätigung und Verwendung von Majorana-Partikeln für Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist“, sagte Moore. „Der nächste Schritt wird die Erforschung möglicher Majorana-Partikel mithilfe eines neu installierten Ultratieftemperatur-Rastertunnelmikroskop-Instruments am CNMS sein.“

Er fügte hinzu: „Die Entwicklung eines Qubits auf Basis von Majorana-Teilchen ist eines der ultimativen Ziele des Quantum Science Center. Das Majorana-Teilchen in Materialien ist ein solch exotischer Zustand. Um zu beweisen, dass es existiert, muss sowohl ein Qubit-ähnliches Gerät gebaut als auch getestet werden.“ Es ist eine seltsame Art, darüber nachzudenken, aber man muss ein Qubit herstellen, um zu beweisen, dass es ein Qubit ist. Wir wissen jetzt, wie wir die Materialien auf das erforderliche Niveau kontrollieren können, um dies zu erreichen.“