Zukünftige elektronische Technologien hängen von der Entdeckung einzigartiger Materialien ab. Allerdings erschwert die natürlich geformte Topologie von Atomen manchmal die Erzeugung neuer physikalischer Effekte. Um dieses Problem zu lösen, ist es Wissenschaftlern der Universität Zürich nun gelungen, Supraleiter Atom für Atom zu konstruieren und so neue Materiezustände zu erzeugen.


Forschern ist es gelungen, einen neuen Supraleitertyp zu erschaffen, indem sie ihn jeweils atomar anordnen, was zur Entwicklung innovativer Materialien und Fortschritte im Quantencomputing führen könnte. Diese Forschung bietet einen praktikablen Weg, die Einschränkungen natürlicher Materialien zu überwinden und den Weg für neuartige Materiezustände in zukünftigen Elektronik- und Computertechnologien zu ebnen.

Wie wird der Computer der Zukunft aussehen? Wie wird es funktionieren? Antworten auf diese Fragen zu finden, ist ein wesentlicher Treiber der physikalischen Grundlagenforschung. Es gibt mehrere mögliche Szenarien, von Weiterentwicklungen der klassischen Elektronik bis hin zu neuromorphem Computing und Quantencomputern.

Allen diesen Ansätzen ist gemeinsam, dass sie auf neuartigen physikalischen Effekten basieren, die teilweise bisher nur theoretisch vorhergesagt wurden. Forscher arbeiten unermüdlich daran, mit modernster Ausrüstung neue Quantenmaterialien zu finden, um diesen Effekt zu erzeugen. Was aber, wenn es kein geeignetes Material gibt, das in der Natur vorkommt?

In einer kürzlich in Nature Physics veröffentlichten Studie arbeitete die Forschungsgruppe von UZH-Professor Titus Neupert eng mit Physikern am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle zusammen, um eine mögliche Lösung vorzuschlagen. Die benötigten Materialien stellen die Forscher Atom für Atom selbst her.

Der Schwerpunkt ihrer Forschung liegt auf neuen Supraleitern, die besonders interessant sind, weil sie bei niedrigen Temperaturen keinen Widerstand mehr haben. Supraleiter, manchmal auch „ideale Magnete“ genannt, werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen Wechselwirkungen mit Magnetfeldern in vielen Quantencomputern verwendet. Theoretische Physiker haben Jahre damit verbracht, verschiedene supraleitende Zustände zu untersuchen und vorherzusagen. „Allerdings wurden bisher nur wenige supraleitende Zustände in Materialien bestätigt“, sagte Professor Neupert.

In ihrer spannenden Zusammenarbeit haben Harvard-Forscher theoretisch vorhergesagt, wie Atome angeordnet werden sollten, um neue supraleitende Phasen zu erzeugen, und das deutsche Team führte dann Experimente durch, um die entsprechenden Topologien zu erreichen. Sie verwendeten Rastertunnelmikroskopie, um Atome mit atomarer Präzision an die richtige Stelle zu bewegen und abzulagern.

Mit der gleichen Methode werden auch die magnetischen und supraleitenden Eigenschaften des Systems gemessen. Durch die Abscheidung von Chromatomen auf der Oberfläche von supraleitendem Niob schufen die Forscher zwei neue Arten von Supraleitung. Ähnliche Methoden wurden bereits früher zur Manipulation von Metallatomen und -molekülen eingesetzt, doch bisher war es nicht möglich, zweidimensionale Supraleiter herzustellen.

Die Ergebnisse bestätigten nicht nur die theoretischen Vorhersagen der Physiker, sondern gaben ihnen auch Anlass zu Spekulationen darüber, welche anderen neuen Materiezustände mit dieser Methode erzeugt werden könnten und wie sie in zukünftigen Quantencomputern eingesetzt werden könnten.