Ein Schritt in Richtung Quantenelektronik

Ein ultraschnelles elektronisches Netzwerk ohne Schwach­stellen zu erschaffen, davon träumen viele Physiker. Nun wurde ein wichtiger Schritt in diese Richtung genommen. In Computern und elektronischen Geräten sind aktive Elemente, wie etwa Transis­toren, zu Schalt­kreisen verbunden. Diese sind aber nicht immer so effizient, wie wir es gerne hätten. Wissen­schaftlern der Univer­sität Genf ist es in Zusammen­arbeit mit einem Team der ETH Zürich nun erst­malig gelungen, mit einem Quanten­kontakt­punkt aus ultra­kalten Atomen eine Verbindung zwischen zwei Materi­alien mit ungewöhn­lichen quanten­mecha­nischen Eigen­schaften herzu­stellen und einen sehr effizienten und schnellen Quanten­transport zwischen den beiden Materialien zu ermöglichen. Dies bedeutet nicht nur einen Fort­schritt hinsicht­lich elektro­nischer Bausteine für die Zukunft, sondern auch für das Verständnis von physika­lischen Grund­prinzipien.

Die Verbindung von supraleitenden Quanten­materia­lien bietet neue Möglich­keiten für den Daten­transport, der viel effektiver sein kann als mit momentan zur Verfügung stehenden Materialien. Eine der größten Schwierig­keiten aus wissen­schaftlicher Sicht besteht darin, zwei stark korrelierte Supra­leiter mitein­ander an einem Quanten­punkt zu verbinden. Die Teams aus Genf und Zürich arbeiteten mit Atomen, die in Laser­strahlen eingefangen werden. Dieser Versuchsaufbau schützt vor äußeren Einflüssen und Störungen. Mit Lasern werden die Atome außerdem extrem abgekühlt, auf solch niedrige Temperaturen, wie sie sonst nirgendwo im Universum herrschen. Dadurch lassen sich sehr reine Materi­alien herstellen, die faszi­nierende quanten­mechanische Eigen­schaften besitzen, wie beispielsweise Supra­leit­fähigkeit.

„Bei einem derart kalten Supraleiter wechselwirken die einzelnen Partikel sehr stark unter­einander, während diese Interaktion normaler­weise sehr schwach ist. Durch die Kühlung können wir also besondere Eigen­schaften des Materials hervor­bringen – vergleichbar zu Wasser, das zu Eis friert: Das Material bleibt das selbe, aber seine Eigen­schaften ändern sich grundlegend“, erklärt Thierry Giamarchi, Professor an der natur­wissen­schaft­lichen Fakultät der Universität Genf. „Mit dieser neuen Quanten­verbindung können wir neue Effekte innerhalb dieser supra­leitenden Quanten­systemen unter­suchen. Das ist ein grund­legender Durch­bruch für die Quanten­forschung mit ultrakalten Atomen“, wertet Giamarchi.

Es ist im Allgemeinen sehr schwierig, eine robuste Verbindung zwischen zwei Quantenmaterialien herzustellen. Die Genfer und Zürcher Forschern sind dank ihrer Zusammen­arbeit einen grossen Schritt vorangekommen. Während das UNIGE-Team um Thierry Giamarchi für die Theorie verant­wortlich war, führten die ETHZ-Physiker unter der Leitung von Tilman Esslingen und Jean-Philippe Brantut den experi­mentellen Teil durch. Dabei gelang es ihnen, ultrakalte Atome zwischen zwei supra­leitenden Quanten­materialien mit starken Wechsel­wirkungen durch einen einzelnen Quanten­punkt zu transpor­tieren. Innerhalb der im Laser­strahl gefangenen ultra­kalten Atome konnten die Forscher eine beinahe transpa­rente Verbindung etablieren, was eine annähernd hundert­prozentige Über­tragungs­rate bedeutet. Dieser Erfolg stellt einen wichtigen Schritt in der Erforschung von Quanten­transport mit ultra­kalten Atomen dar und wird den Weg zu weiteren Studien zu Supraleitern und anderen Quanten­materialen ebnen.

Und nicht nur das: wenn solche Materialen miteinander verbunden werden, dann könnten dabei auch bedeutende Fort­schritte für die Daten­verar­beitung resultieren, weit über das hinaus, das mit der momentanen Computer- und Elektro­technik möglich ist. Mit ihrem unkonventio­nellen Ansatz sind die Genfer und Zürcher Forscher auf einem guten Weg, eine zukunfts­trächtige Technologie mitzu­entwickeln, die eines Tages den Traum von ultra­schnellen und robusten elektro­nischen Netz­werken wahr werden lassen könnte.

UniGe / OD