Quantenbits in Nanodrähten

Links: eingefärbte elektronenmikroskopische Aufnahme eines InAs-Nanodrahtes. Rechts: Quantisierte Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Spannung; darüber: helikale Energielücke. Abb. Forschungszentrum Jülich

Forschern aus Jülich, Würzburg und Duisburg-Essen ist ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung von stabilen Quantenbits mit Majorana-Teilchen gelungen. Diese bilden die Grundlage für den Bau von Quantencomputern.

Majorana-Teilchen gelten als vielversprechende Kandidaten für stabile Quantenbits. Ihre Herstellung ist eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung eines Quantencomputers. Bereits vor knapp 80 Jahren hatte der italienischen Physiker Ettore Majorana Teilchen vorhergesagt, die zugleich ihr eigenes Antiteilchen sind. Doch erst in den letzten Jahren gelang es, die Existenz dieser Majoranas näherungsweise experimentell zu belegen.

Hinweis auf neuartigen Kopplungsmechanismus

Experimentatoren des Forschungszentrums Jülich und der Universität Duisburg-Essen ist nun gemeinsam mit Theoretikern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg mit einem bahnbrechenden Experiment ein entscheidender Schritt gelungen, um Majorana-Teilchen kontrollierter herzustellen. „In einem sogenannten Halbleiternanodraht haben wir Hinweise auf einen neuartigen Kopplungsmechanismus und eine starke Spin-Bahn-Kopplung entdeckt. Letztere gilt als wichtige Voraussetzung, um Quantenbits mithilfe von Majorana-Teilchen in Nanodrähten zu erzeugen“, erläutert Professor Thomas Schäpers vom Forschungszentrum Jülich. In der neuen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Physics stellen die Wissenschaftler die Ergebnisse ihrer Arbeit vor.

Nanodrähte sind extrem dünne Halbleiterstrukturen, in denen die Bewegung der Elektronen auf eine Raumrichtung beschränkt ist. Bei tiefen Temperaturen lassen sich die Elektronen darin kollektiv anregen. Ähnlich wie in einer Welle nehmen sie dann voneinander abhängige Zustände ein. Doch das allein reicht nicht aus: „Um in einem derartigen System Majorana-Teilchen zu erzeugen, wird ein spezielles Halbleitermaterial mit starker Spin-Bahn-Kopplung benötigt – in dem also die Bewegungsrichtung der Elektronen stark an ihren Spin gekoppelt ist“, erklärt Professor Björn Trauzettel, Theoretiker an der Universität Würzburg.

Der Spin bestimmt die Bewegungsrichtung

Durch das Anlegen eines äußeren Magnetfelds könne in diesem Material ein Zustand hervorgerufen werden, in dem sich Elektronen mit einer Spinorientierung in die eine und solche mit der entgegengesetzten Spinorientierung in die andere Richtung bewegen. Ein solcher Zustand gehe – theoretisch – mit einer sogenannten helikalen Energielücke einher. Sprich: Er wirkt sich auf die Energieverteilung der Elektronen aus, was sich experimentell anhand der elektrischen Leitfähigkeit ablesen lässt.

In der Vergangenheit konnten Forscher in einem Nanodraht-System in Kombination mit einer supraleitenden Elektrode bereits Hinweise auf Majorana-Teilchen finden. Der Nachweis der helikalen Energielücke als wichtige Voraussetzung dafür stand allerdings noch aus. Mit einem Indium-Arsenid-Nanodraht konnten das Team von Forscher aus Jülich, Würzburg und Duisburg die Existenz dieser speziellen Energielücke nun eindeutig aufzeigen. Dabei stießen sie zudem auf einen neuartigen Rückstreu-Mechanismus, der diese Eigenschaft auch ohne das Anlegen eines äußeren magnetischen Felds – aufgrund von Wechselwirkungseffekten – erzeugen kann.

Kooperation am Virtuellen Institut für topologische Isolatoren

Die neue Entdeckung ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit im Virtuellen Institut für topologische Isolatoren VITI. Gegründet im Juli 2012 arbeiten dort Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, der RWTH Aachen, des Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology sowie der Universität Würzburg zusammen.

Koordiniert wird das Virtuelle Institut von Professor Thomas Schäpers, Forschungszentrum Jülich; die Helmholtz-Gemeinschaft fördert das Vorhaben über fünf Jahre hinweg mit jährlich 600.000 Euro; 300.000 Euro pro Jahr bringen die Partner auf.

Neuartige Materialien mit großem Potenzial für Anwendungen in der Informationstechnik stehen im Fokus der Forschung am VITI.

Literatur

Signatures of interaction-induced helical gaps in nanowire quantum point contacts. S. Heedt, N. Traverso Ziani, F. Crépin, W. Prost, St. Trellenkamp, J. Schubert, D. Grützmacher, B. Trauzettel, Th. Schäpers. Nature Physics (published online 20 March 2017), DOI:10.1038/NPHYS4070