Forschung

Schwergewichtiger Quantenbit-Kandidat

15.08.2019 - Uranditellurid-Einkristalle zeigen ungewöhnliche supraleitende Phase mit möglichen Majorana-Anregungen.

Topo­logische Supraleiter gehören zu den interes­santesten Materialien für die Entwicklung möglichst robuster Quanten­bits. Das liegt daran, dass die Quanten­zustände in ihnen topologisch geschützt sind und sich deshalb durch eine außer­ordentlich gute Kohärenz auszeichnen, die gegen äußere Störungen unempfindlich ist. Ein Forscherteam um Nick Butch, der am NIST Center for Neutron Research (NCNR) arbeitet, hat nun herausgefunden, dass Uran­ditellurid-Einkristalle nicht nur eine, sondern vermutlich gleich mehrere supra­leitende Phasen besitzen, die sich zur Herstellung von Qubits eignen könnten. Zum Team gehörten auch Wissen­schaftler der University of Maryland und des Ames Laboratory.

Das Besondere an diesem Material ist seine Spin-Struktur. Bei den meisten Supra­leitern bilden die Spins der gepaarten Elektronen einen Singulett­zustand, bei dem der eine Spin nach oben und der andere nach unten weist. Einige Supraleiter haben aber auch Triplett­zustände, bei denen die Spins der Cooper-Paare parallel sind und einen von drei verschiedenen Spinzuständen einnehmen können. Nach theo­retischen Vorhersagen sind die meisten dieser Spin-Triplett-Supraleiter auch „topo­logische“ Supraleiter. Bei dieser Material­klasse tritt die Supraleit­fähigkeit an der Oberfläche auf und bleibt auch bei äußeren Stör­einflüssen außer­ordentlich robust.

Hinzu kommt, dass topo­logische Supraleiter auch eine spezielle Bandlücke aufweisen sollen, bei der Nullpunkt-Anregungen auftreten können, die zugleich ihre eigenen Anti­teilchen entsprechen. Diese Quasi­teilchen-Zustände sind auch als Majorana-Moden oder gebundene Majorana-Zustände bekannt. Zu den ungewöhnlichen Eigen­schaften dieser Zustände gehört, dass sich bei einer Vertauschung zweier Zustände der Zustand des Gesamt­systems so ändert, dass er nur von der Reihenfolge der Vertauschungen abhängt – eine typisch topo­logische Eigenschaft, die für besonders hohe Quanten­kohärenz sorgt. An einem eisen­basierten Supraleiter konnten etwa schon letztes Jahr Majorana-Zustände nachgewiesen werden.

Bereits die Erzeugung von Uran­ditellurid-Ein­kristallen war nicht trivial: Nicht alle gewonnen Kristalle zeigten Supraleit­fähigkeit. Das Material untersuchten die Forscher dann mit Hilfe von Kernspin­resonanz und Neutronen­streuung, wobei die Kombination von sehr tiefen Temperaturen und sehr hohen Magnetfeldern gewisse Ansprüche an die Technik stellte. Das Material besaß eine Sprung­temperatur von 1,6 Kelvin. Das Besondere war aber seine überraschend starke Magnetfeld­härte: Die kritische Feldstärke sollte nach den bisherigen Messungen bei über vierzig Tesla liegen. Dieser außer­gewöhnlich hohe Wert und seine supraleitenden Eigenschaften lassen Uran­ditellurid (UTe2) in eine Reihe einordnen, zu der auch Verbindungen wie UGe2, UrhGe und UcoGe gehören. Nun gehören diese Substanzen zur seltenen Klasse ferro­magnetischer Supraleiter, während Uranditellurid selbst keine magnetische Ordnung aufweist. Von seinen magne­tischen Eigenschaften her liegt es also am para­magnetischen Ende dieser Reihe ferro­magnetischer Supraleiter. „Das allein macht Uran­ditellurid einzigartig und aus funda­mentaler Hinsicht sehr ungewöhnlich“, sagt Butch.

So aufschluss­reich die bisherigen Messungen auch sind: Noch ist es nicht endgültig erwiesen, ob Uran­ditellurid wirklich ein topologischer Supraleiter mit Majorana-Moden ist. Die Forscher planen deshalb als nächstes, die Anregungs­struktur der Spinzustände daraufhin unter die Lupe zu nehmen, ob sich hier die gesuchten Majorana-Eigenschaften zeigen. Dies sollte sich mit Hilfe von Photo­elektronen-Emissions­spektroskopie und Rastertunnel­aufnahmen sichtbar machen lassen. Bislang konnten die Wissenschaftler zwar nachweisen, dass es sich bei den Spins von Uranditellurid um Triplett-Zustände handelt, aber noch nicht, um welchen mit welchen genauen Eigenschaften. „Die Messungen deuten sogar darauf hin, dass es sich um mehr als nur eine supra­leitende Phase handeln könnte“, erklärt Butch. Das würde zusätzliche interessante Perspektiven für dieses Material eröffnen.

Dabei galt Uran­ditellurid lange Zeit als uninteressant: Seit den 1970er Jahren ist es bekannt und schien keine besonderen Eigen­schaften aufzuweisen. Die Forscher erzeugten nun ein wenig Uranditellurid nebenbei, als sie auch verwandte Stoffe produzierten, und untersuchten seine Eigenschaften. Bei sehr tiefen Temperaturen zeigte es nun seine unge­wöhnlichen Qualitäten, die bis hin zu Qubit-tauglichen Majorana-Moden reichen könnten.

Wann solche Majorana-Qubits in einem Quanten­computer zum Einsatz kommen könnten, hängt aber von einigen offenen Forschungs- und Entwicklungs­fragen ab. Falls sich die Vermutungen bestätigen, wäre Uran­ditellurid ein sehr interes­santer Baustein für topologische und fehler­tolerante Quanten­hardware. Bis zu den ersten Prototypen dürften aber noch ein paar Jahre verstreichen.

Dirk Eidemüller

Weitere Infos

Weitere Beiträge

JOL

Produkte des Monats

Fluid-Struktur-Interaktion simulieren

Vakuum- und Niederdrucksysteme werden für unterschiedliche Zwecke, wie Elektronenmikroskope oder in der Halbleiterherstellung, eingesetzt. Forscher und Entwickler, die mit Vakuumsystemen arbeiten, nutzen verstärkt Simulation für eine effizientere Entwicklung und zur Reduktion kostspieliger Prototypen.

 

Zur Registrierung

Produkte des Monats

Fluid-Struktur-Interaktion simulieren

Vakuum- und Niederdrucksysteme werden für unterschiedliche Zwecke, wie Elektronenmikroskope oder in der Halbleiterherstellung, eingesetzt. Forscher und Entwickler, die mit Vakuumsystemen arbeiten, nutzen verstärkt Simulation für eine effizientere Entwicklung und zur Reduktion kostspieliger Prototypen.

 

Zur Registrierung