Quantenbits aus Majorana-Teilchen

Majorana-Teilchen gelten als vielversprechende Kandidaten für stabile Quantenbits. Ihre Herstellung ist eine der größten Heraus­forderungen bei der Entwicklung eines Quanten­computers. Bereits vor knapp achtzig Jahren hatte der italienischen Physiker Ettore Majorana Teilchen vorhergesagt, die zugleich ihr eigenes Antiteilchen sind. Doch erst in den letzten Jahren gelang es, die Existenz dieser Majoranas näherungs­weise experimentell zu belegen.

Experimentatoren des Forschungszentrums Jülich und der Universität Duisburg-Essen ist nun gemeinsam mit Theoretikern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg mit einem bahnbrechenden Experiment ein entscheidender Schritt gelungen, um Majorana-Teilchen kontrollierter herzustellen. „In einem sogenannten Halbleiter­nanodraht haben wir Hinweise auf einen neuartigen Kopplungs­mechanismus und eine starke Spin-Bahn-Kopplung entdeckt. Letztere gilt als wichtige Voraussetzung, um Quantenbits mithilfe von Majorana-Teilchen in Nanodrähten zu erzeugen“, erläutert Thomas Schäpers vom Forschungs­zentrum Jülich.

Nanodrähte sind extrem dünne Halbleiter­strukturen, in denen die Bewegung der Elektronen auf eine Raumrichtung beschränkt ist. Bei tiefen Temperaturen lassen sich die Elektronen darin kollektiv anregen. Ähnlich wie in einer Welle nehmen sie dann voneinander abhängige Zustände ein. Doch das allein reicht nicht aus: „Um in einem derartigen System Majorana-Teilchen zu erzeugen, wird ein spezielles Halbleiter­material mit starker Spin-Bahn-Kopplung benötigt – in dem also die Bewegungs­richtung der Elektronen stark an ihren Spin gekoppelt ist“, erklärt Björn Trauzettel, Theoretiker an der Universität Würzburg.

Durch das Anlegen eines äußeren Magnetfelds lässt sich in diesem Material ein Zustand hervorrufen, in dem sich Elektronen mit einer Spin­orientierung in die eine und solche mit der entgegengesetzten Spin­orientierung in die andere Richtung bewegen. Ein solcher Zustand geht – theoretisch – mit einer helikalen Energie­lücke einher. Er ändert die Energie­verteilung der Elektronen, was sich experimentell anhand der elektrischen Leitfähigkeit ablesen lässt.

In der Vergangenheit konnten Forscher in einem Nanodraht-System in Kombination mit einer supra­leitenden Elektrode bereits Hinweise auf Majorana-Teilchen finden. Der Nachweis der helikalen Energielücke als wichtige Voraussetzung dafür stand allerdings noch aus. Mit einem Indium-Arsenid-Nanodraht konnten das Team von Forscher aus Jülich, Würzburg und Duisburg die Existenz dieser speziellen Energielücke nun eindeutig aufzeigen. Dabei stießen sie zudem auf einen neuartigen Rückstreu-Mechanismus, der diese Eigenschaft auch ohne das Anlegen eines äußeren magnetischen Felds – aufgrund von Wechselwirkungs­effekten – erzeugen kann.

Die neue Entdeckung ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit im Virtuellen Institut für topologische Isolatoren VITI. Gegründet im Juli 2012 arbeiten dort Wissenschaftler des Forschungs­zentrums Jülich, der RWTH Aachen, des Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology sowie der Universität Würzburg zusammen.

FZJ / DE