Auf dem Weg zum Quantencomputer Mehr Stabilität durch Majorana-Teilchen

Dreidimensionale Skizze des Bi2Te3-Geräts. Die Al-Elektroden (S) induzieren eine effektive p + s-Wellen-Supraleitfähigkeit auf der Oberfläche des topologischen Insulators.
Dreidimensionale Skizze des Bi2Te3-Geräts. Die Al-Elektroden (S) induzieren eine effektive p + s-Wellen-Supraleitfähigkeit auf der Oberfläche des topologischen Insulators.

Haben Sie schon mal von Majorana-Teilchen gehört? Tatsächlich könnten die speziellen Fermionen einen Durchbruch bei der Arbeit an Quantencomputern bringen.

Eine der großen Herausforderungen beim Bau eines Quantencomputers besteht darin, die Empfindlichkeit von Quantensystemen gegenüber Dekohärenz (Veränderung des Systemzustands durch Wechselwirkungen mit der Außenwelt) zu überwinden. Ein Forschungsweg führt zur Verwendung von sogenannten Majorana-Teilchen, die auch Majorana-Fermionen genannt werden. Sie zeichnen sich vor allem durch ihre Unempfindlichkeit gegen Dekohärenz aus.

Majorana-Fermionen können in stark vereinfachter Form als Halbelektronen betrachtet werden. In einem Quantencomputer könnten Information in einem Paar von Majorana-Fermionen kodiert werden, die im Material getrennt sind, was Berechnungen gegenüber Dekohärenz immun machen sollte. Das Problem ist, dass sie nur unter ganz besonderen Umständen auftreten.

Wo findet man Majorana-Teilchen?

In Festkörpermaterialien scheinen Majorana-Fermionen nur in so genannten topologischen Supraleitern vorzuliegen – eine neue Art von Supraleitern, die in der Praxis kaum zu finden ist. Ein Forschungsteam an der Chalmers University of Technology ist es jedoch gelungen, einen topologischen Supraleiter herzustellen.

Um ihren unkonventionellen Supraleiter herzustellen, begannen die Physiker um Floriana Lombardi, Professorin am Chalmers Quantum Device Physics Laboratory mit einem sogenannten topologischen Isolator aus Bismuttellurid (Be2Te3). Ein topologischer Isolator ist ein Isolator der Strom nur auf der Oberfläche leitet.

Die Forscher haben eine Schicht eines konventionellen Supraleiters darauf gelegt, in diesem Fall Aluminium, das bei sehr niedrigen Temperaturen völlig widerstandslos leitet. Das supraleitende Elektronenpaar gelangt dann in den topologischen Isolator, der auch supraleitend wird.

Plötzlich topologisch

Die anfänglichen Messungen zeigten jedoch alle, dass sie nur eine Standard-Supraleitfähigkeit in dem topologischen Isolator Bi2Te3 induziert hatten. Aber wenn sie die Komponente später wieder abkühlten, um routinemäßig einige Messungen zu wiederholen, änderte sich die Situation plötzlich – die Eigenschaften der supraleitenden Elektronenpaare variierten in verschiedenen Richtungen.

»Und das ist mit konventioneller Supraleitung überhaupt nicht vereinbar. Plötzlich geschahen unerwartete und aufregende Dinge«, sagt Lombardi.

Im Gegensatz zu anderen Forschungsteams hat das Lombardi-Team Platin verwendet, um den topologischen Isolator mit dem Aluminium zu verbinden. Wiederholte Kühlzyklen führten zu Spannungen im Material, die dazu führten, dass die Supraleitung ihre Eigenschaften veränderte.

Nach einer intensiven Analysephase konnte das Forscherteam feststellen, dass es wahrscheinlich gelungen ist, einen topologischen Supraleiter zu erzeugen.
»Für praktische Anwendungen ist das Material hauptsächlich für diejenigen interessant, die versuchen, einen topologischen Quantencomputer zu bauen. Wir wollen selbst die neue Physik erforschen, die in topologischen Supraleitern verborgen ist – das ist ein neues Kapitel in der Physik«, sagt Lombardi.

Steckbrief: Majorana-Teilchen

Das Majorana-Teilchen wurde 1937 vom italienischen Physiker Ettore Majorana vorhergesagt. Es handelt sich um ein höchst originelles Teilchen, das wie Elektronen, Neutronen und Protonen zur Gruppe der Fermionen gehört. Im Gegensatz zu allen anderen Fermionen ist das Majorana-Fermion ein eigenes Antiteilchen.