Paarung von Elektronen in künstlichen Atomen entdeckt

Physiker der Universität Hamburg haben einen Quantenzustand beobachtet, der vor mehr als fünfzig Jahren von japanischen Theoretikern vorher­gesagt, aber bisher nicht im Experiment nach­ge­wiesen wurde. Durch die Konstruktion eines künstlichen Atoms auf der Oberfläche eines Supra­leiters gelang es den Forschern, die Elektronen solcher Quanten­punkte zu Paaren zu verbinden und damit die kleinst­mögliche Version eines Supraleiters zu erzeugen.

Normalerweise tendieren Elektronen, die um den Atomkern herum­schwirren, dazu, sich gegenseitig aus dem Weg zu gehen. Dieses Phänomen hat einen enormen Einfluss auf viele Eigen­schaften von Materialien, wie etwa den elektrischen Widerstand. Solche Eigen­schaften können sich drastisch ändern, wenn die Elektronen zu Paaren gebunden sind und sich damit zu Bosonen zusammen­schließen.

Denn Bosonen vermeiden einander nicht wie einzelne Elektronen, sondern können am selben Ort verweilen oder exakt dieselbe Bewegung ausführen. Eine der faszinie­rendsten Eigen­schaften eines Materials mit solchen gebundenen Elektronen­paaren ist die Supra­leit­fähig­keit, die es ermöglicht, einen elektrischen Strom ohne jeglichen elektrischen Widerstand durch das Material fließen zu lassen.

Supraleitende Materialien haben ein enormes Potenzial für technologische Anwendungen. Aktuell kommen sie zum Beispiel bei Magnet­spin­tomo­graphen in der Medizin oder hoch­auf­lösenden Magnet­feld­sensoren zum Einsatz. Darüber hinaus treibt die stetig zunehmende Verkleinerung elektronischer Schaltkreise derzeit die Erforschung von Phänomenen der Supra­leit­fähig­keit in viel kleineren, nano­struktu­rierten Systemen an.

Das Team hat jetzt die Paarbildung von Elektronen in einem künstlichen Atom, also einem Quantenpunkt, realisiert – dem kleinsten Baustein nano­struk­tu­rierter elektro­nischer Schaltkreise. Unter der Leitung von Jens Wiebe sperrten die Forscher zu diesem Zweck die Elektronen in winzigen Käfigen ein, die sie Atom für Atom aus Silber aufbauten.

Durch die Kopplung der einge­sperrten Elektronen an einen elementaren Supraleiter erben die Elektronen Eigenschaften dieses Supraleiters, der Elektronen zu Paaren verbindet. Die Forscher brachten die experi­men­telle Signatur, eine Resonanz bei sehr niedriger Energie, mit einem vor fünfzig Jahren von Kazushige Machida und Fumiaki Shibata vorher­gesagten Quantenzustand in Verbindung.

Während dieser Zustand bisher der direkten Detektion durch experi­men­telle Methoden entgangen ist, zeigen jüngste Berechnungen von Forscher aus den Niederlanden und Dänemark, dass er unerwünschtes Rauschen in Transmon-Qubits unterdrücken könnte, einem essenziellen Baustein moderner Quanten­computer.

UHH / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Schneider et al.: Proximity superconductivity in atom-by-atom crafted quantum dots, Nature, online 16. August 2023; DOI: 10.1038/s41586-023-06312-0
• Institut für Nanostruktur- und Festkörperphysik, Universität Hamburg

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• Physik Journal Dossier: Supraleitung