Forschung & Entwicklung

Quantencomputer mithilfe chiraler topologischer Supraleiter

Eine der zentralen Herausforderungen der Physik ist die Kontrolle der Quanteneigenschaften von Materialien. Gleichzeitig liegt darin der Schlüssel, um die Quantenphysik für Anwendungen zu nutzen, wie etwa skalierbare Quantencomputer.

Ein aktuelles Forschungsfeld im Bereich der Kontrolle von Quantenmaterialien besteht in der Nutzung von starker elektromagnetischer Strahlung, mit der Materialien aus ihrem normalen Gleichgewicht getrieben werden. Diese Manipulation führt zum Auftreten neuer Materialzustände mit nützlichen und kontrollierbaren Eigenschaften.

Jetzt hat ein Team aus Wissenschaftlern in den USA und Deutschland gezeigt, dass gezielt eingesetzte Laserpulse zur Kontrolle der Chiralität in topologischen Supraleitern genutzt werden können.  Supraleiter sind Materialien, die elektrischen Strom ohne Reibungsverluste leiten können. Derzeit passiert dies nur unter bestimmten Umständen, beispielsweise bei sehr tiefen Temperaturen. Chirale topologische Supraleiter sind eine spezielle Klasse von Supraleitern, in der ein schwer aufzufindendes Teilchen – ein Majorana-Fermion – auftaucht. Dieses kann für Quantenbits genutzt werden, um fehlerresistente Rechnungen durchzuführen. Allerdings sind die Kontrolle und Manipulation von chiralen Supraleitern schwierige Aufgaben.

Im Wesentlichen beruht die chirale topologische Natur dieser Materialien auf den Rotations- und Spiegelsymmetrien des Kristallgitters, die wiederum eine Balance zwischen konkurrierenden supraleitenden Zuständen aufrechterhalten. Forscher am Center for Computational Quantum Physics (CCQ) am New Yorker Flatiron Institut (USA), an der Freien Universität Berlin und am Hamburger Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie haben herausgefunden, dass ein schwacher Lichtpuls diese Balance stören und eine deutliche Veränderung der elektronischen Ordnung erzeugen kann. Dies geschieht, weil der Puls durch die Wahl der Lichtpolarisation gezielt die unterliegenden Symmetrien bricht.

Insbesondere zeigte das Forscherteam, dass eine bestimmte Abfolge von Lichtpulsen gezielt die Chiralität einer chiralen supraleitenden Region innerhalb weniger Pikosekunden umdrehen kann. Diese Händigkeit ist eine intrinsische topologische Eigenschaft solcher Materialien und bestimmt die Laufrichtung (im oder gegen den Uhrzeigersinn) von Majorana-Fermionen, die am Rand des Materials auftauchen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen, rein optisch topologisch geschützte Quantenschaltkreise zu ‚programmieren‘. Mit diesen Schaltkreisen könnten Rechnungen mit den Ladungszuständen einzelner Elektronen gemacht werden, die in diese Majorana-Randzustände gebracht werden. Außerdem ist der zugrunde liegende Mechanismus robust und beruht ausschließlich auf Symmetrien und nicht etwa auf Materialdetails. Er könnte direkt auf jedes Material angewandt werden, das mehrkomponentige Ordnungsparameter aufweist.

Die Wissenschaftler sagen voraus, dass topologische Supraleitung in zeitaufgelösten Anregungs- und Abfrage- (‚Pump-Probe‘) Experimenten nachgewiesen werden kann, indem ein erster Laserpuls die Chiralität der Supraleitung umschaltet und ein zweiter Laserpuls diese Veränderung nach einer kurzen Wartezeit ausliest.

Dies etabliert Pump-Probe-Experimente als ein neues experimentelles Werkzeug, um die vermutete, aber bislang nicht einwandfrei bestätigte chirale topologische Natur der Supraleitung in einer Reihe von Materialien zu belegen, etwa in Sr2RuO4, Doppellagen-Graphen mit leichter Rotation der beiden Ebenen (twisted bilayer graphene), SrPtAs, oder UPt3.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. Claassen, D. M. Kennes, M. Zingl, M. A. Sentef, A. Rubio, Universal optical control of chiral superconductors and Majorana modes, Nat. Phys. (2019), DOI: 10.1038/s41567-019-0532-6]

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