Fortschritt in der Quantenphysik: Forschende zähmen Supraleiter

04/04/2024

Ein internationales Team, an dem Forschende der Uni Würzburg beteiligt sind, hat erstmals einen speziellen Zustand der Supraleitung erzeugt. Die Entdeckung könnte die Entwicklung von Quantencomputern vorantreiben.

Probenhalter für Messungen bei Millikelvin (-273 °C). (Image: Mandal/JMU, seitlich erweitert mit Firefly)

Supraleiter sind Materialien, die Strom ohne elektrischen Widerstand leiten können – das macht sie zum idealen Grundstoff für elektronische Bauteile in MRT-Geräten, Magnetschwebebahnen und sogar Teilchenbeschleunigern. Einziges Problem: Herkömmliche Supraleiter lassen sich leicht durch äußere Einflüsse stören, insbesondere durch Magnetfelder. Einer internationalen Forschungsgruppe ist es jetzt gelungen, ein Hybridbauteil zu konstruieren, das aus einem stabilen Supraleiter besteht, dessen Funktion gezielt gesteuert werden kann.

Dazu kombinierten sie den Supraleiter mit einem speziellen Halbleitermaterial, einem sogenannten topologischen Isolator. „Topologische Isolatoren sind Materialien, die Strom auf ihrer Oberfläche leiten, im Inneren aber nicht. Verantwortlich dafür ist ihre einzigartige topologische Struktur, also die besondere Anordnung der Elektronen“, erklärt Professor Charles Gould, Physiker am Institut für Topologische Isolatoren der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. „Das Spannende ist: Wir können topologische Isolatoren so mit magnetischen Atomen bestücken, dass sie sich mithilfe eines Magneten steuern lassen.“

Gekoppelt wurden Supraleiter und topologische Isolatoren in einem sogenannten Josephson-Übergang, einer Verbindung zweier Supraleiter, die durch eine dünne Schicht von nicht-supraleitendem Material getrennt wird. „Damit konnten wir die Eigenschaften der Supraleitung und des Halbleiters zusammenführen“, so Gould. „Wir vereinen also die Vorteile eines Supraleiters mit der Steuerungsfähigkeit des topologischen Isolators. Durch ein externes Magnetfeld können wir jetzt die supraleitenden Eigenschaften präzise kontrollieren. Das ist ein echter Durchbruch in der Quantenphysik!“

Supraleitung trifft Magnetismus

Durch die besondere Verbindung entsteht ein exotischer Zustand, in dem Supraleitung und Magnetismus vereint sind – normalerweise sind das gegensätzliche Phänomene, die nur selten koexistieren. Man spricht hier vom Proximity-induzierten Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov Zustand (p-FFLO). Wichtig für die praktische Anwendung werden könnte der neue „Supraleiter mit Kontrollfunktion“ zum Beispiel bei der Entwicklung von Quantencomputern. Diese basieren anders als herkömmliche Computer nicht auf Bits, sondern Quantenbits (QuBits), die nicht nur zwei, sondern gleich mehrere Zustände simultan annehmen können.

„Das Problem: Quantenbits sind derzeit noch sehr instabil, weil sie extrem empfindlich auf äußere Einflüsse reagieren, etwa elektrische oder magnetische Felder“, sagt Physiker Gould. „Unsere Entdeckung könnte dabei helfen, Quantenbits zu stabilisieren, sodass sie sich in Zukunft für den Einsatz in Quantencomputern eignen.“

Internationales Team für Quantenforschung

Die experimentelle Forschung übernahm ein Team am Lehrstuhl für Experimentelle Physik III von Professor Laurens W. Molenkamp in Würzburg. Sie fand in enger Zusammenarbeit statt mit den theoretischen Experten aus der Gruppe von Professor Sebastian Bergeret vom Zentrum für Materialphysik (CFM) im spanischen San Sebastian und Professor Teun M. Klapwijk von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden.

Gefördert wurde die internationale Forschungsgruppe vom Exzellenzcluster ct.qmat (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Freistaat Bayern, der spanischen Agencia Estatal de Investigación (AEI), dem Europäischen Forschungsprogramm Horizon 2020 sowie von dem EU ERC Advanced Grant Programm.

Zur Studie

Pankaj Mandal, Soumi Mondal, Martin P. Stehno, Stefan Ilić, F. Sebastian Bergeret, Teun M. Klapwijk, Charles Gould & Laurens W. Molenkamp. Magnetically tunable supercurrent in a dilute magnetic topological insulator based Josephson junctions. Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-024-02477-1

Exzellenzcluster ct.qmat

Die Autorinnen und Autoren der Publikation gehören zum Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien), das seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg und der Technischen Universität (TU) Dresden getragen wird. Mehr als 300 Forschende aus mehr als 30 Ländern und von vier Kontinenten erforschen topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen überraschende Phänomene offenbaren – etwa bei ultratiefen Temperaturen, unter hohem Druck oder in starken Magnetfeldern. Das Exzellenzcluster wird im Rahmen des Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert, als einziges bundesländerübergreifendes Cluster in Deutschland.