27.04.2020 - University of Copenhagen

Neue Methode zur Entwicklung der topologischen Supraleitung entdeckt

Quantenforschung vereinigt zwei Ideen, die einen alternativen Weg zur topologischen Supraleitung bieten

Ein bleistiftförmiger Halbleiter, der nur wenige hundert Nanometer im Durchmesser misst, ist das, was die Forscher des Center for Quantum Devices, Niels-Bohr-Institut, an der Universität Kopenhagen in Zusammenarbeit mit Microsoft-Quantenforschern verwendet haben, um in einer kürzlich in Science veröffentlichten Studie einen neuen Weg zu topologischer Supraleitung und Majorana-Nullmodi aufzudecken.

Der neue Weg, den die Forscher entdeckten, nutzt die Phasenwicklung um den Umfang eines zylindrischen Supraleiters, der einen Halbleiter umgibt - ein Ansatz, den sie als "konzeptionellen Durchbruch" bezeichnen.

"Das Ergebnis könnte einen nützlichen Weg zur Verwendung von Majorana-Nullmodi als Basis geschützter Qubits für Quanteninformation bieten. Wir wissen nicht, ob diese Drähte selbst nützlich sein werden, oder ob nur die Ideen nützlich sein werden", sagt Charles Marcus, Villum Kann Rasmussen Professor am Niels-Bohr-Institut und wissenschaftlicher Direktor des Microsoft Quantum Lab in Kopenhagen.

"Was wir gefunden haben, scheint ein viel einfacherer Weg zu sein, Majorana-Nullmodi zu erzeugen, bei denen man sie an- und ausschalten kann, und das kann einen großen Unterschied machen", sagt Saulius Vaitiekėnas, der als Postdoc-Forschungsstipendiat an der Studie federführend beteiligt war.

Zwei bekannte Ideen kombiniert

Die neue Forschung verbindet zwei bereits bekannte Ideen, die in der Welt der Quantenmechanik verwendet werden: Vortex-basierte topologische Supraleiter und die eindimensionale topologische Supraleitung in Nanodrähten.

"Die Bedeutung dieses Ergebnisses liegt darin, dass es verschiedene Ansätze zum Verständnis und zur Erzeugung von topologischer Supraleitung und Majorana-Nullmodi vereint", sagt Professor Karsten Flensberg, Direktor des Zentrums für Quantengeräte.

Wenn man in der Zeit zurückblickt, können die Ergebnisse als eine Erweiterung eines 50 Jahre alten Stückes Physik beschrieben werden, das als Little-Parks-Effekt bekannt ist. Beim Little-Parks-Effekt passt sich ein Supraleiter in Form einer zylindrischen Hülle an ein äußeres Magnetfeld an und führt den Zylinder durch einen Sprung in einen "Vortex-Zustand", in dem die Quantenwellenverbindung um den Zylinder eine Verdrehung seiner Phase trägt.

Charles M. Marcus, Saulius Vaitiekėnas, und Karsten Flensberg vom Niels-Bohr-Institut am Microsoft Quantum Lab in Kopenhagen.

Benötigt wurde eine spezielle Art von Material, das Halbleiter-Nanodrähte und supraleitendes Aluminium kombiniert. Diese Materialien wurden in den wenigen Jahren im Center for Quantum Devices entwickelt. Die besonderen Drähte für diese Studie bestanden darin, dass die supraleitende Hülle den Halbleiter vollständig umgibt. Diese wurden von Professor Peter Krogstrup, ebenfalls am Center for Quantum Devices und wissenschaftlicher Direktor des Microsoft Quantum Materials Lab in Lyngby, entwickelt.

Die Forschung ist das Ergebnis desselben grundlegenden wissenschaftlichen Wunders, das im Laufe der Geschichte zu vielen großen Entdeckungen geführt hat.

"Unsere Motivation, uns damit zu befassen, war in erster Linie, dass es interessant erschien und wir nicht wussten, was passieren würde", sagt Charles Marcus über die experimentelle Entdeckung, die in derselben Publikation theoretisch bestätigt wurde. Nichtsdestotrotz könnte die Idee einen Weg für das Quantencomputing aufzeigen.

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