Schneller rechnen mit Quasi-Teilchen

Majorana-Teilchen sind äußerst spezielle Mitglieder in der Familie der Elementarteilchen. Vom italienischen Physiker Ettore Majorana 1937 vorhergesagt, gehören sie wie Elektronen, Neutronen und Protonen zur Gruppe der Fermionen. Sie sind elektrisch neutral – und zudem identisch mit ihren Antiteilchen. Die exotischen Teilchen können beispielsweise als Quasi-Teilchen in topologischen Supraleitern auftreten und bilden damit ideale Bausteine für topologische Quantencomputer. Auf dem Weg zu einem topologischen Quantencomputer, der mit Majorana-Teilchen arbeitet, haben Forscher der Uni Würzburg gemeinsam mit Kollegen der Harvard University in den USA jetzt einen Erfolg erzielt: Während bisherige Experimente auf diesem Gebiet im eindimensionalen Raum stattfanden, ist ihnen der Sprung in die Zweidimensionalität gelungen.

„Die Realisierung von Majorana-Fermionen ist eines der aktuellsten Themen der Festkörperphysik“, erklärt Ewelina Hankiewicz von der Uni Würzburg. Bisherige Realisierungen beschränken sich ihren Worten nach allerdings meist auf eindimensionale Systeme wie beispielsweise Nanodrähte. Das erschwere die Manipulation dieser Teilchen und erhöhe den Aufwand enorm, wenn sie als Informationsträger in Quantencomputern zum Einsatz kommen sollen. Um einige dieser Schwierigkeiten zu umgehen, haben die Wissenschaftler jetzt Majorana-Fermionen in einem zweidimensionalen System mit starker Spin-Bahn-Wechselwirkung untersucht. „Bei diesem System handelt es sich um einen phasenkontrollierten Josephson-Kontakt, das heißt, zwei Supraleiter, die durch eine normal leitende Region voneinander getrennt sind“, erklärt Team-Mitglied Laurens Molenkamp. Die supraleitende Phasendifferenz zwischen den beiden Supraleitern biete dabei einen zusätzlichen Parameter, durch den die aufwändige Feinabstimmung anderer Systemparameter zumindest teilweise vermieden werden könne.

In dem von ihnen verwendeten Material, einem Quecksilber-Tellurium-Quantentrog mit dünnen supraleitenden Aluminium-Schichten, sahen die Forscher erstmals einen topologischen Phasenübergang, was für die Existenz von Majorana-Fermionen in phasenkontrollierten Josephson-Kontakten spricht. Dementsprechend stellt das von ihnen experimentell realisierte System eine vielseitige Plattform zur Erzeugung, Manipulation und Kontrolle von Majorana-Fermionen dar, die einige Vorteile gegenüber bisherigen ein-dimensionalen Plattformen aufweist. Das bedeute „einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer verbesserten Kontrolle von Majorana-Fermionen“, so Hankiewicz.

Der Nachweis eines topologischen Supraleiters in einem zweidimensionalen Josephson-Kontakt eröffnet nun neue Möglichkeiten für die Erforschung von Majorana-Fermionen in der Festkörperphysik. Insbesondere werden einige Einschränkungen bisheriger Realisierungen von Majorana-Fermionen vermieden. Gleichzeitig stellt eine verbesserte Kontrolle von Majorana-Fermionen einen wichtigen Schritt in Richtung topologischer Quantencomputer dar. Solche Computer sind theoretisch sehr viel leistungsfähiger als klassische Rechner und haben so das Potenzial, die Computertechnologie zu revolutionieren. In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler nun die Josephson-Kontakte verbessern und mit dünneren, normal leitenden Regionen herzustellen versuchen, da sie davon stärker lokalisierte Majorana-Fermionen erwarten. Daneben suchen sie nach weiteren Möglichkeiten zur Manipulation der Majorana-Fermionen, beispielsweise durch die Verwendung anderer Halbleiter-Materialien.

JMU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  H. Ren et al.: Topological superconductivity in a phase-controlled Josephson junction, Nature 569, 93 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1148-9
• Institut für theoretische Physik und Astrophysik, Fklt. für Physik und Astronomie, Julius-Maximilians-Universität Würzburg