Quantencomputing Neue Messmethode ebnet Weg für störungsärmere Quantencharakterisierung

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Hybride aus Magneten und Supraleitern sind interessante Materialien, die empfindliche Quantenphänomene zeigen. Daher ist es äußerst wichtig, sie möglichst störungsfrei zu messen. Mithilfe spezieller Techniken lassen sich diese Quantenphänomene über größere Distanzen hinweg mit einem Rastertunnelmikroskop erkennen und kontrollieren.

Die Entwicklung von Quantenelektronik steht vor einem fundamentalen Problem: Quantenzustände, also die speziellen Energiezustände von Teilchen auf atomarer Ebene, sind sehr empfindlich gegenüber äußeren Störungen. Jede Messung verändert sie, ähnlich wie das Antippen einer Seifenblase, was sie zum Platzen bringt. Das erschwert ihre Charakterisierung und Integration in elektronische Systeme erschwert.

Forscher der Universität Hamburg und der University of Illinois Chicago haben sowohl experimentell als auch theoretisch gezeigt, wie sich diese Quantenphänomene mithilfe spezieller Techniken über größere Distanzen hinweg mit einem Rastertunnelmikroskop erkennen und kontrollieren lassen.

Forscher der Universität Hamburg und der University of Illinois Chicago haben nun eine Lösung entwickelt, die für Entwickler von Quantensensoren und -computern von großer Bedeutung sein könnte.

Yu-Shiba-Rusinov-Quasiteilchen: Quantenzustände mit Potenzial

In hybriden Materialien aus Magneten und Supraleitern entstehen sogenannte Yu-Shiba-Rusinov-Quasiteilchen. Ein Supraleiter ist ein Material, das elektrischen Strom ohne Widerstand leitet, allerdings nur bei sehr tiefen Temperaturen. Bringt man ein magnetisches Atom in einen Supraleiter ein, stört es die perfekte supraleitende Ordnung lokal und erzeugt dabei spezielle Energiezustände. Hier spricht man vom Yu-Shiba-Rusinov-Quasiteilchen.

Diese Quasiteilchen sind keine echten Teilchen, sondern kollektive Anregungen des gesamten Systems – vergleichbar mit einer Welle, die durch einen Teich läuft. Sie haben besondere Eigenschaften, die sie für Quantentechnologien interessant machen.

Bislang konnten diese Quantenzustände nur mit einem Rastertunnelmikroskop gemessen werden. Ein Gerät, das mit einer atomar scharfen Spitze die Oberfläche abtastet. Das Problem: Die Messspitze muss direkt über dem magnetischen Atom positioniert werden, wodurch sie das empfindliche Quantensystem stört.

Der Trick mit dem Quantengehege

Das Hamburger Team um Dr. Jens Wiebe entwickelte einen raffinierten Trick: Sie konstruierten ein Quantengehege aus 91 präzise positionierten Silberatomen auf einem supraleitenden Silberkristall. Dieses Gehege funktioniert wie ein Wellenleiter für Quantenzustände.

Wie das Quantengehege funktioniert:

• 1. Präzise Konstruktion: Mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops wurden einzelne Silberatome zu einem ringförmigen Gehege zusammengeschoben. Das ist eine Arbeit auf atomarer Ebene.

• 2. Dimensionierung nach der Fermi-Energie: Die Größe wurde so berechnet, dass ein Quantenzustand der eingesperrten Elektronen exakt bei der Fermi-Energie liegt. Das ist die Energiegrenze zwischen besetzten und unbesetzten Elektronenzuständen im Material.

• 3. Sogenannte Bäuche des Quantenzustands: Durch die spezielle Geometrie entstehen mehrere Bereiche hoher Wahrscheinlichkeit (sogenannte Bäuche), wo sich die Elektronen bevorzugt aufhalten.

Theoretische Bestätigung durch Simulationen

Parallel zu den Experimenten führten die Forscher Computersimulationen mit einem Tight-Binding-Modell durch. Das ist ein mathematisches Modell, welches beschreibt, wie Elektronen zwischen benachbarten Atomen springen. Die Simulationen bestätigten: Der gemessene Zustand besteht sowohl aus Cooperpaaren (den gebundenen Elektronenpaaren im Supraleiter) im Volumen als auch an der Oberfläche des Kristalls.

Die Technik ermöglicht es, fragile Quantenzustände von Magnet-Supraleiter-Hybriden mit einer lokalen Sonde zu vermessen, aber gleichzeitig den störenden Einfluss der Sonde zu minimieren. Die Forscher hoffen jetzt, diese Technik in Zukunft auf Majorana-Quasiteilchen anwenden zu können, die über ein großes Potenzial für die Entwicklung von neuartigen, topologischen Quantencomputern verfügen. Außerdem könnten Quantengehege in Zukunft genutzt werden, um Wechselwirkungen zwischen den Quasiteilchen von mehreren Magnet-Supraleiter-Hybriden gezielt zu kontrollieren. (heh)

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