{"id":342373,"date":"2021-12-22T17:44:45","date_gmt":"2021-12-22T16:44:45","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?post_type=selected&p=342373"},"modified":"2021-12-22T17:44:45","modified_gmt":"2021-12-22T16:44:45","slug":"neue-materialien-fuer-die-quantentechnologie","status":"publish","type":"selected","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/selected\/neue-materialien-fuer-die-quantentechnologie\/","title":{"rendered":"Neue Materialien f\u00fcr die Quantentechnologie"},"content":{"rendered":"\n

W\u00e4hrend die herk\u00f6mmliche Elektronik auf dem Transport von Elektronen beruht, k\u00f6nnten Bauteile, die nur Spin-Informationen weitergeben, vielfach energieeffizienter arbeiten. Physiker der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen (TUM) und des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Festk\u00f6rperforschung in Stuttgart haben nun einen wichtigen Fortschritt f\u00fcr die Entwicklung solcher Bauteile erzielt. Materialien dieser Art k\u00f6nnten auch der Schl\u00fcssel zu weniger st\u00f6rungsanf\u00e4lligen Quantencomputern werden, so TUM in einer Pressemeldung<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Als vor rund 15 Jahren mit den topologischen Isolatoren die ersten Vertreter einer neuen Materialklasse entdeckt wurden, waren die Hoffnungen gro\u00df: Aufgrund ihrer speziellen elektronischen Struktur erwartete man auf der Oberfl\u00e4che dieser neuen Materialien besondere Eigenschaften, beispielsweise einen energieeffizienten Informationstransport, mit denen sich v\u00f6llig neue elektronische Bauteile f\u00fcr eine Vielzahl von Anwendungen entwickeln lassen sollten.<\/p>\n\n\n\n

Doch bisher konnten diese Eigenschaften nicht einfach ver\u00e4ndert und in Anwendungen kontrollierbar gemacht werden. Trotz gr\u00f6\u00dfter Anstrengungen lie\u00df deshalb eine technologische Nutzung auf sich warten. Dank der Entdeckung eines Teams um Christian Pfleiderer<\/a>, Professor f\u00fcr Experimentalphysik zur Topologie korrelierter Systeme an der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen, k\u00f6nnte sich dies nun \u00e4ndern.<\/p>\n\n\n\n

Die Suche nach Kreuzungen<\/h3>\n\n\n\n

In Atomen besetzen die Elektronen die unterschiedlichen Atomorbitale sukzessive bis zu einer h\u00f6chsten Energie. Jedes Orbital entspricht dabei einem festen Energieniveau. Im Festk\u00f6rper \u00fcberlappen die Atomorbitale, und die Energieniveaus h\u00e4ngen von der Bewegungsrichtung und der Wellenl\u00e4nge der Elektronen ab. Die Energie der Niveaus f\u00fcr unterschiedliche Bewegungsrichtungen und Wellenl\u00e4ngen variiert dabei innerhalb eines charakteristischen Intervalls, dass als Energieband bezeichnet wird.<\/p>\n\n\n\n

W\u00e4hrend die Energieniveaus der Orbitale in Atomen in einer bestimmten Reihenfolge ansteigen, kann die Reihenfolge der Energieniveaus im Festk\u00f6rper, die jeweils aus unterschiedlichen Atomorbitalen entstehen, je nach Bewegungsrichtung und Wellenl\u00e4nge der Elektronen auch vertauscht sein.<\/p>\n\n\n\n

Die Lage der Energieniveaus die urspr\u00fcnglich zu unterschiedlichen Orbitalen geh\u00f6rten, k\u00f6nnen sich somit f\u00fcr bestimmte Bewegungsrichtungen und Wellenl\u00e4ngen kreuzen. Das hei\u00dft, die Energien unterschiedlicher Orbitale sind an den Kreuzungen genau gleich. Besonders interessant sind Materialien, bei denen diese Kreuzungen auf dem Niveau liegen, dessen Elektronen f\u00fcr die Leitf\u00e4higkeit verantwortlich sind. Physiker bezeichnen dieses Niveau als Fermi-Energie.<\/p>\n\n\n\n

Die Entdeckung topologischer Materialien<\/h3>\n\n\n\n

Kreuzungen der Energieb\u00e4nder in echten Materialien kannte man bereits seit den 1930er Jahren. Man fand allerdings, dass diese bis auf sehr wenige Ausnahmen durch die gegenseitige Absto\u00dfung der Elektronen aufgehoben werden. In den Energieb\u00e4ndern beobachtet man dann genau dort wo die Kreuzung erwartet wird eine L\u00fccke. Man hielt Kreuzungen in der Bandstruktur f\u00fcr eine bedeutungslose Kuriosit\u00e4t, da alle bekannten Beispiele f\u00fcr Kreuzungen weit entfernt von der Fermi-Energie auftraten.<\/p>\n\n\n\n

Dies \u00e4nderte sich mit der Entdeckung der topologischen Isolatoren, bei denen die elektronische Struktur der Oberfl\u00e4che der Materialien Kreuzungen exakt an der Fermi-Energie aufwiesen. Man erkannte zudem, dass hier die Kreuzungen aufgrund des speziellen Charakters der quantenmechanischen Wellenfunktion der Elektronen besonders stabil sind und deshalb nicht durch die Elektronenabsto\u00dfung aufgehoben werden.<\/p>\n\n\n\n

Bewegung von Informationen ohne Energieverlust<\/h3>\n\n\n\n

Da bei den Oberfl\u00e4chen der topologischen Isolatoren die Kreuzungen immer am Fermi-Niveau liegen, ergeben sich besondere Eigenschaften f\u00fcr die elektrische Leitf\u00e4higkeit der Oberfl\u00e4chen. Insbesondere ist dies die Bewegung elektrischer Ladungen und Spin-Informationen ohne Energieverlust.<\/p>\n\n\n\n

Die Entdeckung der topologischen Isolatoren l\u00f6ste eine intensive systematische Suche aus, die zur Entdeckung einer gro\u00dfen Zahl von Materialien mit topologischen Kreuzungen der Energieb\u00e4nder im Inneren der Materialen f\u00fchrte.<\/p>\n\n\n\n

Allerdings war es bisher bei keinem der bekannten Materialien m\u00f6glich vorherzusagen, ob topologische Kreuzungen exakt auf dem Niveau der Fermi-Energie liegen. Ursache hierf\u00fcr war, dass die bekannten Kreuzungen nur an Punkten oder entlang bestimmter Linien auftraten, sodass sie h\u00f6chstens zuf\u00e4llig mit dem Fermi-Niveau \u00fcbereinstimmten.<\/p>\n\n\n\n

Letzteres ist jedoch entscheidend f\u00fcr die technische Nutzung. Kreuzungspunkte mit einfachen Mitteln in Anwendungen zus\u00e4tzlich ein- und ausschalten zu k\u00f6nnen, schien dar\u00fcber hinaus v\u00f6llig undenkbar.<\/p>\n\n\n\n

Schaltbar durch ein Magnetfeld<\/h3>\n\n\n\n

Wie die Wissenschaftler unter F\u00fchrung von Dr. Marc Wilde im Team von Prof. Pfleiderer nun zeigen konnten, gibt es Materialien, in denen Ebenen existieren auf denen sich die B\u00e4nder immer paarweise kreuzen. Diese werden als Knotenebenen (nodal planes) bezeichnet. Damit ist es sehr leicht eine Kreuzung am Fermi-Niveau zu finden. N\u00e4mlich immer genau dort, wo die Leitungsb\u00e4nder durch eine solche Ebene f\u00fchren. Zu den ersten Beispielen geh\u00f6rt die Verbindung Mangan-Silizium.<\/p>\n\n\n\n

Zusammen mit Dr. Andreas Schnyder am Max-Planck-Institut f\u00fcr Festk\u00f6rperforschung in Stuttgart konnte das Forschungsteam auch den theoretischen Hintergrund dieses Verhaltens aufkl\u00e4ren.<\/p>\n\n\n\n

\u201eEine wesentliche Voraussetzung sind sogenannte \u201enicht-symmorphe\u201c Symmetrien. In Mangan-Silizium ist dies eine Drehschraubung der Anordnung der Atome\u201c, sagt Andreas Schnyder. \u201eDamit aber nicht genug.\u201c so Marc Wilde, \u201eWir konnten zus\u00e4tzlich zeigen, dass eine Magnetisierung in einem solchen Material die entscheidenden Symmetrien und damit die Knotenebenen aufheben kann. Damit k\u00f6nnen wir diese Eigenschaften des Materials ein- und ausschalten.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Mit dieser Erkenntnis f\u00fchrten Andreas Schnyder und seine Kollegen in Stuttgart eine umfassende Analyse aller bekannten Klassen von Kristallstrukturen durch, um diejenigen zu finden, die die gleichen Eigenschaften besitzen. Dies ist nun die Grundlage f\u00fcr die zuk\u00fcnftige gezielte Suche nach vergleichbaren Materialien.<\/p>\n\n\n\n

Besondere Eigenschaften, besonderer Nutzen<\/h3>\n\n\n\n

\u201eMit Mangan-Silizium als Beispiel und den jetzt entwickelten theoretischen Grundlagen k\u00f6nnen wir nun gezielt Materialien ausw\u00e4hlen und optimieren\u201c, sagt Christian Pfleiderer. \u201eDiese neuen Materialien k\u00f6nnten nicht nur sehr viel energieeffizientere elektronische Bauteile erm\u00f6glichen, sondern auch v\u00f6llig neue Anwendungen bei denen wir mit \u00e4u\u00dferen Magnetfeldern die Auswirkungen der Magnetisierung auf die Knotenebenen kontrollieren.\u201c<\/p>\n\n\n\n

\u201eSo k\u00f6nnten in Zukunft\u201c, hofft Pfleiderer, \u201ediese Materialien sogar topologisches Quantencomputing erm\u00f6glichen. Aufgrund der Charakteristiken der Kreuzungspunkte w\u00e4ren entsprechende QBits wesentlich weniger st\u00f6rungsempfindlich.\u201c Quantencomputer auf dieser Basis m\u00fcssten dann vielleicht sogar nicht mehr bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben werden.<\/p>\n\n\n\n

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