Quantentechnologien: Neue Einblicke in supraleitende Vorgänge

Die Entwicklung eines Quantencomputers, der Probleme lösen kann, die klassische Computer nur mit großem Aufwand oder gar nicht meistern – das ist das Ziel, dem derzeit immer mehr Forscherteams auf der ganzen Welt hinterhereifern.

Der Grund: Quanteneffekte, die der Welt der kleinsten Teilchen und Strukturen entspringen, ermöglichen viele neue technologische Anwendungen. Als vielversprechende Bauteile, um Quantencomputer zu realisieren, gelten sogenannte Supraleiter, die Informationen und Signale nach den Gesetzten der Quantenmechanik verarbeiten.

Ein Knackpunkt supraleitender Nanostrukturen ist jedoch, dass sie nur bei sehr niedrigen Temperaturen funktionieren und daher nur schwer in praktische Anwendungen zu bringen sind.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) und des Forschungszentrums Jülich haben jetzt erstmals eine sogenannte Energiequantisierung in Nanodrähten aus Hochtemperatur-Supraleitern nachgewiesen – Supraleitern, bei denen diejenige Temperatur erhöht ist, unterhalb derer quantenmechanische Effekte vorherrschen.

Der supraleitende Nanodraht nimmt dann nur noch ausgewählte Energiezustände an, die zur Kodierung von Informationen genutzt werden könnten. In den Hochtemperatur-Supraleitern beobachteten die Forscher außerdem erstmals die Aufnahme eines einzelnen Photons, eines Lichtteilchens, das der Informationsübertragung dient.

„Unsere Ergebnisse können zum einen dazu beitragen, zukünftig eine erheblich vereinfachte Kühltechnik in den Quantentechnologien einzusetzen, zum anderen bieten sie uns vollkommen neue Einblicke in die immer noch unverstandenen Prozesse supraleitender Zustände und deren Dynamik“, betont Studienleiter Jun.-Prof. Dr. Carsten Schuck vom Physikalischen Institut der WWU.

Die Ergebnisse können demnach für die Entwicklung von neuartigen Computerverfahren relevant sein. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen.

Hintergrund und Methode:

Die Wissenschaftler nutzten Hochtemperatur-Supraleiter aus den Elementen Yttrium, Barium, Kupferoxid und Sauerstoff, kurz YBCO, aus denen sie wenige Nanometer dünne Drähte herstellten. Wenn Strom durch diese Strukturen geleitet wird, kommt es zu physikalischen Dynamiken, die Phasenschlupf genannt werden.

Im Falle der YBCO-Nanodrähte können Fluktuationen der Ladungsdichte bewirken, dass sich der Suprastrom ändert. Die Forscher untersuchten die Vorgänge in den Nanodrähten bei Temperaturen von unter 20 Kelvin, das entspricht minus 253 Grad Celsius. In Kombination mit Modell-Rechnungen wiesen sie eine Quantisierung der Energiezustände in den Nanodrähten nach.

Die ermittelte Temperatur, bei der die Drähte in den Quantenzustand übergingen, lag bei zwölf bis 13 Kelvin – eine Temperatur, die einige hundertmal höher ist als die Temperatur, die bei den üblicherweise eingesetzten Materialien benötigt wird.

Somit war es den Wissenschaftlern möglich, Resonatoren, also auf bestimmte Frequenzen abgestimmte schwingfähige Systeme, mit viel längeren Lebenszeiten herzustellen und die quantenmechanischen Zustände länger aufrecht zu halten. Das ist eine Voraussetzung dafür, langfristig immer größere Quantencomputer zu entwickeln.

Absorption eines einzelnen Photons in Hochtemperatur-Supraleitern

Weitere wichtige Bauteile für die Entwicklung von Quantentechnologien, aber potenziell auch für die medizinische Diagnostik, sind Detektoren, die selbst einzelne Photonen nachweisen können. Bereits seit einigen Jahren arbeitet die Forschergruppe um Carsten Schuck an der WWU daran, solche Einzelphotonen-Detektoren auf Basis von Supraleitern zu entwickeln.

Was bei tiefen Temperaturen schon gut klappt, versuchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt seit mehr als einem Jahrzehnt auch mit Hochtemperatur-Supraleitern zu erreichen. In den für die Studie verwendeten YBCO-Nanodrähten gelang dieser Versuch nun erstmalig.

„Unsere neuen Erkenntnisse ebnen den Weg für neue experimentell überprüfbare theoretische Beschreibungen und technologische Entwicklungen“, betont Co-Autor Martin Wolff aus der Forschergruppe Schuck.

Beteiligte Institutionen und Förderung:

Die am Forschungszentrums Jülich hergestellten supraleitenden Filme wurden in Jülich und an der WWU Münster nanostrukturiert, wo auch die experimentelle Charakterisierung erfolgte.

Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung durch das Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen und das Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) des Forschungszentrums Jülich.

Jun.-Prof. Dr. Carsten Schuck (Westfälische Wilhelms-Universität Münster)
Tel: +49-(0)251-83-63948
carsten.schuck@uni-muenster.de

M. Lyatti et al. (2019): Energy-level quantization and single-photon control of phase slips in YBa2Cu3O7–x nanowires. Nature Communications; DOI: 10.1038/s41467-020-14548-x

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14548-x Originalpublikation in „Nature Communications”
https://www.uni-muenster.de/Physik.PI/Schuck/team/team.html Forschergruppe Carsten Schuck an der Universät Münster
https://www.uni-muenster.de/forschung/profil/schwerpunkt/nanowissenschaften.html Forschungsschwerpunkt „Nanowissenschaften“ an der Universität Münster