Nanodraht UzK

Quanten-Einbahnstraße

Nanodrähte eignen sich für hochstabile Qubits

Nanodrähte, die mehr als 100-mal dünner sind als ein menschliches Haar, können wie eine Einbahnstraße für Elektronen wirken, wenn sie aus einem besonderen Material bestehen: einem topologischen Isolator. Die Entdeckung ermöglicht neue technologische Anwendungen für Bauelemente aus topologischen Isolatoren und ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu sogenannten topologischen Qubits. Von diesen erhofft man sich, dass sie Informationen für einen Quantencomputer robust kodieren können.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, haben Experimentalphysiker der Universität zu Köln um Professor Dr. Yoichi Ando eng mit den Gruppen von Professorin Dr. Jelena Klinovaja und Professor Dr. Daniel Loss an der Universität Basel zusammengearbeitet. Ando ist auch Sprecher des Exzellenzclusters Materie und Licht für Quanteninformation (ML4Q). Die Studie „Giant magnetochiral anisotropy from quantum confined surface states of topological insulator nanowires“ wurde in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Topologische Isolatoren sind Materialien, bei denen eine Kombination aus Quantenmechanik und dem mathematischen Konzept der Topologie dazu führt, dass sie elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Inneren aber wie Isolatoren verhalten. Topologische Isolatoren gelten als vielversprechende Kandidaten für künftige Technologien und für Anwendungen im Quantencomputing. Die Forschenden zeigten, dass unter den richtigen Umständen elektrische Ströme leichter in die eine als in die andere Richtung fließen können – ein Vorgang, der als Gleichrichtung bezeichnet wird. Die Gleichrichtung bietet ein breites Spektrum an Anwendungen und bildet die Grundlage der meisten drahtlosen Technologien.

Gleichrichter, die beispielsweise in Smartphones zu finden sind, bestehen heute aus Halbleiterdioden. Im Unterschied dazu entsteht der Gleichrichtereffekt in den Nanodrähten aus topologischen Isolatoren durch quantenmechanische Effekte und ist außerordentlich gut steuerbar.

Normalerweise entstehen Quantengleichrichtungseffekte durch die so genannte Spin-Bahn-Kopplung, die eigentlich eine Mischung aus Quantenmechanik und Einsteins Relativitätstheorie ist. Diese seltsame Mischung führt zu winzigen Gleichrichtereffekten. „Das Tolle an den Nanodrähten aus topologischem Isolator ist, dass wir im Wesentlichen die gleiche Physik künstlich erzeugen können, allerdings in viel größerem Ausmaß. Dies führt zu einem Gleichrichtereffekt, der im Vergleich zu anderen Materialien wirklich enorm ist. Das ist auch einer der Aspekte, die topologische Isolatoren für Anwendungen im Quantencomputing so interessant machen“, erklärt Erstautor Dr. Henry Legg, Georg H. Endress-Postdoktorand an der Universität Basel.

Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der Strom, der durch ein Gerät fließt, durch den Spannungsabfall und eine als Widerstand bezeichnete Größe bestimmt wird. Ist jedoch Quantenmechanik im Spiel, muss das Ohmsche Gesetz manchmal korrigiert werden. Das betrifft insbesondere Material und Geräte, die eine gebrochene räumliche Inversionssymmetrie aufweisen – die also nicht gleich aussehen, wenn all ihre räumlichen Eigenschaften gespiegelt sind. In diesem Fall bedeutet das Anlegen eines Magnetfeldes, dass die Quantenversion des Ohmschen Gesetzes den Strom leichter in die eine als in die andere Richtung fließen lässt. Die Größe der Stromgleichrichtung wird durch den Unterschied zwischen den Widerständen in beiden Richtungen bestimmt. Der hohe Grad an Kontrolle, der in topologischen Isolatoren möglich ist, ermöglichte es dem Forschungsteam, einen gigantischen Gleichrichtereffekt zu erzielen – verglichen mit dem, was bisher beobachtet wurde.

„Es war sehr aufregend, als wir auch beobachten konnten, was die Theorie vorhergesagt hatte. Der Gleichrichtereffekt ist mit kleinen Änderungen der Gate-Spannung gut steuerbar, und das könnte vielversprechende technologische Auswirkungen haben“, sagt Matthias Rößler, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Yoichi Ando und Co-Erstautor der Veröffentlichung. „Es waren viele lange Abende im Labor nötig, aber es hat sich gelohnt.“

Topologische Isolatoren gelten seit langem als gute Kandidaten für topologische Quantencomputer, die eine noch nie dagewesene Rechenleistung versprechen. Um topologische Qubits herstellen zu können, ist jedoch eine gute Kontrolle über die Bauelemente aus topologischen Isolatoren erforderlich. „Unsere Studie zeigt ein weiteres neuartiges Quantenphänomen, das in Bauelementen aus topologischen Isolatoren möglich ist, und unterstreicht deren potenzielle technologische Anwendungen. Sie ist auch ein weiterer wichtiger Beweis dafür, dass topologische Isolatoren ideale Plattformen für die Aufnahme von Majoranas sind. Die Entdeckung von Majoranas wäre ein echter Durchbruch für das Quantencomputing“, sagt Yoichi Ando, Professor für Experimentalphysik an der Universität zu Köln und Sprecher des Exzellenzclusters ML4Q.