Neuer Supraleiter könnte zum Durchbruch im Quantencomputing führen

Ein neuer Supraleitertyp könnte genau das sein, wonach Physiker in den letzten 40 Jahren gesucht haben.

Supraleitung ist die Eigenschaft, dass bei extrem niedrigen Temperaturen kein elektrischer Widerstand besteht, und wurde 1911 vom niederländischen Physiker Kamerling-Ohnes entdeckt. Es spielt in vielen Branchen und Technologien eine entscheidende Rolle, vom Quantencomputing bis zur Energie.

„Supraleiter sind erstaunliche Materialien, die viele seltsame und ungewöhnliche Eigenschaften haben“, erklärte Joe Carroll, ein Ph.D. Forscher im Labor der Macroscopic Quantum Matter Group am University College Cork. „Am bekanntesten ist, dass sie den Stromfluss ohne Widerstand ermöglichen. Das heißt, wenn man einen Strom durch sie leitet, fangen sie nicht an, sich zu erwärmen; Tatsächlich verbrauchen sie keine Energie, obwohl sie eine große Strömung transportieren.

„Sie können dies tun, weil wir statt einzelner Elektronen, die sich durch das Metall bewegen, Elektronenpaare haben, die sich aneinander binden […] und eine makroskopische quantenmechanische Flüssigkeit bilden“, fuhr er fort.

Die faszinierenden Eigenschaften von Cooper-Paaren

Diese Elektronenpaare werden Cooper-Paare genannt und sind von grundlegender Bedeutung für die Supraleitung. Sie bilden sich, wenn sie ihre übliche Abstoßung überwinden und eine anziehende Wechselwirkung zeigen. Interessant ist, dass Cooper-Paare je nach Material unterschiedlich miteinander und mit dem Kristallgitter des Materials interagieren.

In einigen Fällen bilden sie periodische Modulationen in der Dichte von Elektronenpaaren innerhalb des Kristallgitters, ein Phänomen, das als Elektronenpaardichtewellen bekannt ist. Dies wurde 2016 von der Macroscopic Quantum Matter Group unter der Leitung von Séamus Davis, Professor am University College Cork, entdeckt. Seitdem untersuchen Carroll und ein internationales Kooperationsteam die Eigenschaften von Elektronenpaardichtewellen und konzentrieren sich dabei auf ein Material namens Uranditellurid (UTe).₂).

Nun sagen die Wissenschaftler in einer aktuellen Studie, dass sie eine wichtige neue Entdeckung gemacht haben. Es scheint, dass sich die in diesem Supraleiter gebildeten Cooper-Paare in einem Zustand befinden, der ein Verhalten aufweist, das der klassischen Rotation ähnelt, jedoch auf quantenmechanischer Ebene. Diese Beobachtung ist bedeutsam, da es das erste Mal seit über einem Jahrhundert der Untersuchung dieser Materialien ist, dass ein solches Verhalten beobachtet wurde.

„Was für uns und die breitere Community besonders spannend ist, ist die UTe₂ scheint ein neuer Typ von Supraleiter zu sein“, sagte Carroll in einem Pressemitteilung. „Physiker suchen seit fast 40 Jahren nach einem solchen Material. Die Elektronenpaare scheinen einen Eigendrehimpuls zu haben. Wenn das wahr ist, dann haben wir die erste Paardichtewelle entdeckt, die aus diesen exotischen Elektronenpaaren besteht.“

Rotierende Cooper-Paare

Frühere Studien zu UTe₂ vermutete, dass seine Cooper-Paare in einem nicht trivialen Rotationszustand existierten, aber die Wissenschaftler der aktuellen Studie waren die ersten, die diese Eigenschaft direkt maßen.

Dazu nutzten sie eine Technik namens Rastertunnelmikroskopie, bei der es sich um eine Methode zur Analyse der Oberfläche eines bestimmten Materials mithilfe von Quantentunneln handelt – einem Phänomen in der Quantenmechanik, bei dem ein Teilchen eine potentielle Energiebarriere passieren kann, die es nach der klassischen Physik schafft sollte nicht eindringen können.

Bei dieser Technik wird eine leitende Sonde über der Oberfläche des Materials platziert, die als „Sensor“ für Elektronen fungiert, die durch winzige Lücken zwischen der Sonde und der Oberfläche tunneln.

Wenn das Material ein Supraleiter ist, hängt die Geschwindigkeit, mit der diese Elektronen tunneln, vom Rotationszustand seiner Cooper-Paare ab. Durch die Messung des Stroms, der von den durch die Sondenspitze fließenden Elektronen erzeugt wird, konnten die Forscher die einzigartigen Rotationseigenschaften der Cooper-Paare in UTe messen₂.

Anwendungen im Quantencomputing

Obwohl diese Entdeckung für die Grundlagenforschung wichtig ist, hofft das Team, dass sie auch praktische Anwendungen findet, beispielsweise im Quantencomputing.

„Seit seiner Entdeckung vor fünf Jahren wurde intensiv an UTe geforscht_2, Es gibt Hinweise darauf, dass es sich um einen Supraleiter handelt, der als Grundlage für topologisches Quantencomputing dienen könnte“, sagte Carroll. „In solchen Materialien gibt es keine Begrenzung der Lebensdauer des Qubits während der Berechnung, was viele neue Wege für stabilere und nützlichere Quantencomputer eröffnet.“

Qubits sind die Analoga der Bits, die in klassischen Computern verwendet werden. Doch im Gegensatz zu Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 annehmen, können Qubits dank des Superpositionsprinzips gleichzeitig sowohl den Wert 1 als auch den Wert 0 annehmen. Dies ermöglicht es Quantencomputern mit mehreren übereinander angeordneten Qubits, enorme Datenmengen zu speichern und komplexe Probleme, Situationen oder Rechenaufgaben schnell zu lösen. Aber es gibt ein Problem.

„Das Problem bestehender Quantencomputer besteht darin, dass jedes Qubit in einer Überlagerung mit zwei unterschiedlichen Energien vorliegen muss – so wie Schrödingers Katze sowohl ‚tot‘ als auch ‚lebendig‘ genannt werden könnte“, erklärte Carroll. „Dieser Quantenzustand wird sehr leicht zerstört, indem er in den Zustand mit der niedrigsten Energie – ‚tot‘ – kollabiert, wodurch jede nützliche Berechnung abgeschnitten wird.“

In einigen Quantencomputern sind Qubits Schleifen aus supraleitenden Materialien, in denen der elektrische Strom aufgrund der Quanteneigenschaften der Supraleitung einen diskreten Satz von Werten annimmt – hypothetisch Einsen oder Nullen. In einem gewöhnlichen Supraleiter wird die Überlagerung seiner Qubits – der Schleifenzustände des Materials mit unterschiedlichen Strömen – leicht zerstört. Allerdings kann eine unkonventionelle Klasse von Supraleitern, sogenannte topologische Supraleiter, zur Erzeugung von Qubits verwendet werden, die tatsächlich widerstandsfähig gegenüber äußeren Störungen sind, was diese Art von Quantencomputern wesentlich zuverlässiger macht.

Diese Materialien zeichnen sich durch die Rotationseigenschaften und angeregten Zustände ihrer Cooper-Paare aus, was bedeutet, dass die Forscher neue Erkenntnisse in Bezug auf UTe gewinnen₂ richtig sind, dann ist es ein sehr guter Kandidat für die Grundlage für zukünftiges Quantencomputing.

„Was die Community gesucht hat, ist ein relevanter topologischer Supraleiter; UTe₂ Scheint das zu sein“, schloss Carroll.

Referenz: Qiangqiang Gu, et al., Erkennung eines Paardichtewellenzustands in UTe₂, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05919-7

Bildnachweis: TheDigitalArtist auf Pixabay