31.05.2018

Flussquanten im Nanodraht

Aharonov-Casher-Effekt an ultradünnem supraleitendem Draht nachgewiesen.

Forschern des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) ist es gemeinsam mit Kollegen aus Karlsruhe, London und Moskau gelungen, erstmals einen kohärenten Quanten­effekt mit einem bei tiefen Temperaturen kontinuierlich supra­leitenden Nano­draht experimentell nachzuweisen und damit einen neuen Quanten­detektor zu realisieren. Der nur wenige Nanometer große Sensor öffnet eine bislang verschlossene Tür der experimentellen Quanten­physik und ermöglicht zukünftig die Erforschung völlig neuer physikalischer Instrumente in der Quanten­elektronik und Quanten­optik.

Abb.: Elektronenmikroskopische Aufnahme des CQUIDS aus einem NbN-Nanodraht...
Abb.: Elektronenmikroskopische Aufnahme des CQUIDS aus einem NbN-Nanodraht (links) und schematische Darstellung (rechts) mit der Bewegung des Flussquants um eine Ladung. (Bild: NPL / Leibniz-IPHT)

Das internationale Wissenschaftler-Team beschreibt ein fundamentales quanten­mechanisches Experiment: der erste Nachweis des Aharonov-Casher-Effekts mit einem Niob­nitrid-Nano­draht in einem CQUID-Quanten­sensor (Charge Quantum Interference Device). Der Effekt, den die theoretischen Physiker Yakir Aharonov und Aharon Casher bereits im Jahr 1984 postulierten, beschreibt die quanten­mechanische Bewegung magnetischer Fluss­quanten um elektrische Ladungen. Anwendungs­möglichkeiten sehen die Wissenschaftler unter anderem in einem zuverlässigen Standard zur Neu­definition der Maß­einheit Ampere, in hoch­auflösenden photonischen Detektoren oder als Element zur Informations­verarbeitung in Quanten­computern.

Der erstmals erfolgreich realisierte CQUID-Sensor ist das Gegen­stück zu den seit Jahr­zehnten bekannten supra­leitenden Quanten-Interferenz-Detektoren (SQUIDs), deren Funktions­weise auf der quanten­mechanischen Bewegung elektrischer Ladungen um magnetische Fluss­quanten beruht. Im Gegensatz dazu bewegen sich in den CQUIDs die magnetischen Fluss­quanten um elektrische Ladungen im Supra­leiter. Den Aharonov-Casher-Effekt konnten Forscher experimentell bisher nur in Supra­leitern mit gezielt präparierten Schwach­stellen, den Josephson-Kontakten, nachweisen.

„Ob man das Phänomen ohne Josephson-Kontakte, also in einem Supra­leiter ohne Schwach­stellen, beobachten kann, wurde in der wissenschaftlichen Gemein­schaft bezweifelt. Es existierte bis jetzt kein geeignetes Material, welches die Fluss­quanten ungehindert durch­dringen konnten“, erklärt Evgeni Il’ichev vom Leibniz-IPHT das Problem. Den entscheidenden Beitrag zur Realisierung des Experiments lieferten nun die ultra­dünnen, mittels Atom­lagen­abscheidung (ALD) gefertigten NbN-Schichten des Leibniz-IPHT.

Die Heraus­forderung für die Jenaer Forscher bestand darin, ein Material zu finden, dass ein quanten­mechanisches Tunneln von magnetischen Fluss­quanten in bestimmten Bereichen der supra­leitenden Struktur des CQUIDs, den Phase-Slip-Kontakten, zulässt. „Uns fielen die besonderen strukturellen und elektrischen Eigenschaften der mittels ALD erzeugten Schichten aus Niob­nitrid auf. Eine spezielle Unordnung in der Kristall­struktur der Schichten ermöglicht erst das Tunneln der Fluss­quanten durch die zwei Einschnürungen in der CQUID-Struktur“, so Sven Linzen, Physiker am Leibniz-IPHT. Dank intensiver Technologie­forschung gelang es, die nur 3,3 Nanometer dicken NbN-Filme auf einen Silizium-Träger im Rein­raum des Leibniz-IPHT aufzubringen. Aus ihnen präparierten die Partner um Oleg Astafiev am National Physics Laboratory (NPL) in London den neuen CQUID-Quanten­sensor, mit dem der Nachweis des Quanten­effekts gelang.

„Mit dem NbN-Material und dessen Herstellungs­technologie halten wir den Schlüssel zu einer bislang verschlossenen Tür der experimentellen Quanten­physik in der Hand. Wir stehen noch am Anfang, sehen die Anwendungs­felder der neuen Phase-Slip-Kontakte und Quanten­sensoren aber ebenso viel­fältig wie die Einsatz­gebiete der bekannten Josephson-Kontakte und SQUIDs. Denkbar sind die Entwicklung eines in der Elektronik­industrie dringend benötigten Standards zur präzisen Fest­legung der Strom­stärke in Analogie zum Josephson-Volt­standard, neue optische Detektor­konzepte oder ein Durch­bruch bei der Realisierung anwend­barer Quanten­bits als Grund­bausteine für zukünftige Quanten­computer“, blickt Sven Linzen in die Zukunft.

IPHT / DE

 

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