Majoranas von der Eisenstange

  • 02. October 2014

Topologischer Supraleiter aus ultradünnem Eisendraht zeigt alle Eigenschaften eines Majorana-Fermions.

Lange schon suchen die Teilchenphysiker nach Majorana-Teilchen. Die 1937 vom italienischen Theoretiker Ettore Majorana postulierten Partikel besitzen die besondere Eigenschaft, ihre eigenen Antiteilchen zu sein. Dies entdeckte Majorana beim Experimentieren mit der Dirac-Gleichung. Solche Teilchen müssen elektrisch neutral sein, weswegen etwa die flüchtigen Neutrinos als Majorana-Teilchen in Frage kommen. Bislang jedoch blieb die Suche nach der Majorana-Natur von Neutrinos ergebnislos. Experimente zum neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall wie Gerda oder Exo-200 würden als sicherer Nachweis gelten, liefern bislang jedoch nur negative Ausschlusskriterien. In einigen supersymmetrischen Theorien tauchen Majorana-Teilchen aber als Kandidaten für Dunkle Materie auf.

Abb.: Mit einem Rastertunnelmikroskop konnten die Forscher die Majorana-Zustände an den Enden der Eisen-Nanodrähte nachweisen. In Vergrößerung ist die Wahrscheinlichkeit zu sehen, ein Majorana-Fermion zu finden. (Bild: Yazdani Lab, Princeton University)

Abb.: Mit einem Rastertunnelmikroskop konnten die Forscher die Majorana-Zustände an den Enden der Eisen-Nanodrähte nachweisen. In Vergrößerung ist die Wahrscheinlichkeit zu sehen, ein Majorana-Fermion zu finden. (Bild: Yazdani Lab, Princeton U.)

Doch seit einigen Jahren haben die Teilchenphysiker Konkurrenz aus der Festkörperphysik bekommen. Im Jahr 2001 gelang Alexei Jurjewitsch Kitajew die Vorhersage, dass sich unter bestimmten Bedingungen an den beiden Enden eines supraleitenden Drahtes Majorana-Fermionen ausbilden könnten. Solche Majorana-Quasiteilchen wären sogar für den Bau eines Quantencomputers interessant. Denn da sie sich als nichtlokale Quantenverschränkung über eine längere Strecke ausdehnen, sind sie nicht empfindlich gegenüber Störungen und lassen sich für Quantengatter-Operationen einsetzen.

Die Idee hinter solchen Ansätzen liegt in der Kombination eines Supraleiters mit einem topologischen Isolator. Letztere besitzen eine ungewöhnliche Bandstruktur: Sie leiten Strom nur an ihrer Oberfläche wie ein Metall, während sie sich in ihrem Innern wie Nichtleiter verhalten. Gerät ein solcher topologischer Isolator in Kontakt mit einem Supraleiter, kann ein topologischer Supraleiter entstehen, der einerseits die für einen Supraleiter typische Bandlücke besitzt, andererseits aber auch eine ungewöhnliche Bandstruktur. In der Mitte der Bandlücke können Nullpunkts-Anregungen als gemeinsamer Zustand von Elektronen und Löchern vorkommen, die elektrisch neutral sind und damit die Majorana-Kriterien erfüllen.

Der geniale Theoretiker Ettore Majorana verschwand, noch jung an Jahren, leider 1938 bei der Überfahrt von Palermo nach Neapel unter schleierhaften Umständen. Die von ihm postulierten Fermion-Zustände waren länger auf der physikalischen Fahndungsliste als das Higgs-Boson und könnten nun experimentellen Untersuchungen zugänglich werden.

Bereits 2012 konnten Wissenschaftler der Universität Delft in den Niederlanden das Signal von Majorana-Fermionen an einem Halbleiter-Draht aus Indiumantimonid nachweisen. Doch die Ergebnisse waren nicht eindeutig genug, um alle Kritiker zu überzeugen. Denn auch andere Effekte wie etwa Kondo-Resonanzen, strukturelle Defekte und sonstige Fehlerquellen können zu einem ähnlichen Signal führen.

Eine Forschergruppe um Ali Yazdani von der Universität Princeton hat deshalb einen anderen Ansatz entwickelt, um die schwer zu fassenden Quasiteilchen unter die Lupe zu nehmen. Sie wählten einen ultrareinen Blei-Einkristall als Supraleiter. Auf diesem brachten sie eine nicht einmal eine Atomlage dünne Schicht aus Eisenatomen auf, die sie mit Hilfe von leichtem Ausglühen zu dünnen Inseln und Drähten zusammenfinden ließen. Die Nano-Eisendrähte, die sich entlang des Blei-Kristallgitters ausbildeten, waren nur eine Atomlage breit und drei hoch und bis zu 500 Ångström lang, wobei sich hier und da aber auch Eisen-Inseln zeigten.

Das Ganze kühlten sie auf knapp über den absoluten Nullpunkt ab. Bei 1,4 Kelvin ist Blei bereits supraleitend. Die Eigenschaften der Eisendrähte maßen die Forscher mit ihrem selbst konstruierten, zwei Stockwerke hohen Hochvakuum-Rastertunnelmikroskop, das eine präzise Bestimmung von Magnetfeldern auf atomarer Ebene zulässt. Üblicherweise vertragen sich Ferromagnetismus und Supraleitung nicht allzu gut, denn starke Magnetfelder stören die Supraleitung. Doch dank des nur atomar dünnen Eisendrahtes bildete sich ein topologischer Supraleiter heraus. Die spektroskopischen Messungen zeigten ein elektrisch neutrales Signal an den Enden des Drahtes – und nur an den Enden.

„Das ist die entscheidende Signatur“, sagt Yazdani. „Sonst könnte das Signal auch viele andere Ursachen haben.“ Die Forscher überprüften ihr Resultat deshalb auf vielerlei Weise. Sie testeten nicht nur verschiedene Drähte mit unterschiedlichen Rastertunnel-Spitzen. Sie unterbanden auch die Supraleitung durch externe Magnetfelder. Alle Ergebnisse sprachen für die Ausbildung eines Majorana-Quasiteilchens an den Enden der Eisendrähte.

Bevor man diese Fermionen etwa für einen Quantencomputer nutzen könnte, müssen die Forscher allerdings die Kontrolle über die Drähte und ihr Auslesen verbessern. Dazu müssten sie die Majorana-Quasiteilchen miteinander verknüpfen. Unter Umständen halten die Forscher es auch für möglich, an den Rändern der weniger delikaten zweidimensionalen Eisen-Inseln Majorana-Zustände aufzufinden.

Dirk Eidemüller

PH

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