26.07.2022

Neue Materialien für Quantencomputer

Charakterisierung topologischer Supraleiter mit Multi-Terahertz-Spektroskopie.

Forscher des Fachbereichs Physik und des Exzellenzclusters CUI: Advanced Imaging of Matter der Universität Hamburg und der University of California at Irvine haben kürzlich einen neuen Weg zur Charak­terisierung von topo­logischen Supraleitern mit Hilfe von Multi-Terahertz-Puls­experimenten entwickelt. Dies eröffnet eine Möglichkeit zur eindeutigen Identi­fizierung vorher­gesagter exotischer Materie­zustände und könnte dazu beitragen, neuartige Materialien für zukünftige Geräte zu entwerfen, die Quanteninformation tragen und verarbeiten können.

Abb.: Nicht­lineares Terahertz-Spektrum eines Modells eines eindimen­sionalen...
Abb.: Nicht­lineares Terahertz-Spektrum eines Modells eines eindimen­sionalen topo­logischen Supraleiters in der topo­logischen Phase. (Bild: F. Gerken et al., U. Hamburg)

Forschende auf der ganzen Welt streben nach der Realisierung skalierbarer Quantencomputer auf der Grundlage von Festkörper­materialien. Eine solche Klasse von Materialien sind topologische Supra­leiter. Es wird vermutet, dass sie eine besondere Art von Quanten­zuständen an ihren Rändern beherbergen, die nicht-abelschen Anyonen in Form von Majorana-Fermionen. Indem man diese Quasiteilchen in Netzwerken von Quanten­drähten umherschiebt, kann man logische Quantengatter realisieren, die Bausteine von Quanten­computern. Frühe Anzeichen für die Existenz von Majoranas wurden auf der Grundlage von Messungen des Quanten­transports gemeldet.

Diese Studien erwiesen sich aber später als unzuverlässig, da Majoranas leicht mit trivialen Anregungen von Rand­zuständen verwechselt werden können. Die neue Theoriearbeit verfolgt einen anderen Ansatz: Anstatt die Majoranas an den Rändern des Bauelements selbst zu untersuchen, werden Volumen­eigenschaften betrachtet. Aufgrund der Bulk-Rand-Korres­pondenz sind Majoranas eng mit der Topologie der Bulk-Bandstruktur des Supraleiters verbunden. In gewissem Sinne erfahren die Teilchen­anregungen im Volumen des Materials eine Verflechtung mit den Majoranas an den Rändern. Diese starke Verflechtung kann mit Hilfe der zweidimen­sionalen Terahertz-Spektroskopie untersucht werden, einer Technik, die bei Molekülen und 3D-Materialien weit verbreitet ist.

„Im Gegensatz zur linearen Absorptions­spektroskopie können wir mit nichtlinearen Multipuls­experimenten die optische Antwort angeregter Teilchen untersuchen und so diese Verflechtung deutlich mit einzigartigen Signaturen des exotischen topo­logischen Zustands in den 2D-Spektren aufzeigen“, so Michael Thorwart. Der Theorie­vorschlag formuliert einen wichtigen Schritt zwischen dem Nachweis der grund­legendsten, aber nicht vollständig charak­terisierenden Eigenschaften von Majoranas und der momentan zu ehrgeizigen Demonstration der logischen Gatter-Operationen mit nicht-abelschen Anyonen in Form der Verflechtung von Majorana-Zuständen. „Solche optischen Techniken liefern spektro­skopische Informationen, die über die Bildgebung hinausgehen, und ermöglichen eine zweifelsfreie Charak­terisierung topo­logischer Materialien. Als solche könnten sie eine Brücke zu den künftigen Anwendungen in der Quanten­technologie schlagen“, ergänzt Doktorand Felix Gerken.

UHH / JOL

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