Neue Messtechnik für fragile Quantenzustände
Rastertunnelmikroskope können Quantenphänomene mithilfe spezieller Techniken über größere Distanzen hinweg erkennen und kontrollieren.
Hybride Materialien aus Magneten und Supraleitern zeigen interessante Quantenphänomene, die so empfindlich sind, dass es äußerst wichtig ist, sie möglichst störungsfrei zu messen. Forschende der Universität Hamburg und der University of Illinois Chicago haben nun sowohl experimentell als auch theoretisch gezeigt, wie sich diese Quantenphänomene mithilfe spezieller Techniken über größere Distanzen hinweg mit einem Rastertunnelmikroskop erkennen und kontrollieren lassen. Ihre Ergebnisse haben Beduetung für topologische Quantencomputer.
Wenn sich ein magnetisches Atom in einem Supraleiter befindet, entstehen Yu-Shiba-Rusinov-Quasiteilchen. Mit hoher Detektionswahrscheinlichkeit lassen sie sich üblicherweise nur direkt am Ort des Atoms mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops messen. Einem Team um Jens Wiebe vom Institut für Nanostruktur- und Festkörperphysik der Universität Hamburg sowie der University of Illinois in Chicago ist es nun gelungen, diesen Quantenzustand über Distanzen von über dem Zwanzigfachen seiner ursprünglichen Ausdehnung hinweg zu messen – und damit die Störung der Messsonde zu minimieren.
Die Forschenden sperrten das magnetische Atom in ein Gehege für Quantenzustände, das sie mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops aus 91 Silberatomen auf der Oberfläche eines supraleitenden Silberkristalls zusammenbauten. Dieses Quantengehege wurde in seinen Dimensionen exakt so bemessen, dass einer der Quantenzustände der in dem Gehege eingesperrten Silberelektronen genau an der Fermi-Energie lag. So entstand ein Zustand mit mehreren „Bäuchen“. Die Forschenden positionierten das magnetische Atom auf dem linken „Bauch“ und bestimmten die räumliche Verteilung der differentiellen Leitfähigkeit bei der Energie des Yu-Shiba-Rusinov-Quasiteilchens als Maß für dessen lokale Aufenthaltswahrscheinlichkeit.
Aus dem Rand auf das Innere schließen
Molekülschwingungen aufspüren
„Erstaunlicherweise ist das Yu-Shiba-Rusinov-Quasiteilchen sogar noch an dem am weitesten von dem magnetischen Atom entfernt liegenden, rechten „Bauch“ des Quantengehege-Zustands messbar, ohne dass seine Aufenthaltswahrscheinlichkeit merklich mit dem Abstand zum Atom abfällt“, sagt Jens Wiebe, der auch im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ forscht. Denselben Effekt fanden die Forschenden durch Simulationen mit einem Modell stark gebundener Elektronen. Im Vergleich mit den Messungen zeigte sich, dass es sich um einen räumlich kohärenten Quantenzustand handelt, der sowohl aus Cooperpaaren im Volumen als auch an der Oberfläche des Silberkristalls besteht. Schließlich konnten sie nachweisen, dass sich die Teilchen-Loch-Komposition des delokalisierten Yu-Shiba-Rusinov-Quantenzustands variieren lässt, indem die Größe und Form des Quantengeheges angepasst werden.
Die Technik ermöglicht es, fragile Quantenzustände von Magnet-Supraleiter-Hybriden mit einer lokalen Sonde zu vermessen, aber gleichzeitig den störenden Einfluss der Sonde zu minimieren. Die Forschenden hoffen jetzt, diese Technik in Zukunft auf Majorana-Quasiteilchen anwenden zu können, die über ein großes Potenzial für die Entwicklung von neuartigen, topologischen Quantencomputern verfügen. Außerdem könnten Quantengehege in Zukunft genutzt werden, um Wechselwirkungen zwischen den Quasiteilchen von mehreren Magnet-Supraleiter-Hybriden gezielt zu kontrollieren. [U Hamburg / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
K. T. Ton, C. Xu, I. Ioannidis, et al., Non-local detection of coherent Yu-Shiba-Rusinov quantum projections, Nat. Phys., 26. November 2025; DOI: 10.1038/s41567-025-03109-y - Nanostruktur- und Festkörperphysik (Arbeitsgruppe Roland Wiesendanger), Fachbereich Physik, Universität Hamburg
