Elena Hassinger, Expertin für Tieftemperaturphysik und am ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter (einer gemeinsamen Initiative der Universitäten Würzburg und Dresden) tätig, betreibt Forschung, die seit jeher ein Synonym für extreme Kälte ist. Im Jahr 2021 entdeckte sie den unkonventionellen Supraleiter Cer-Rhodium-Arsen (CeRh2As2). Supraleiter haben typischerweise nur eine widerstandslose Elektronentransportphase, die unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur auftritt. Laut der Fachzeitschrift Science ist CeRh2As2 jedoch das bisher einzige Quantenmaterial, das zwei spezifische supraleitende Zustände besitzt.
Unkonventioneller Supraleiter CeRh2As2: Quanten-Superstar
Die verlustfreie Stromleitung in Supraleitern ist seit Jahrzehnten ein Schwerpunkt der Festkörperphysik und hat sich zu einer wichtigen Perspektive für die Energietechnik der Zukunft entwickelt. Die zweite supraleitende Phase in CeRh2As2 resultiert aus einer asymmetrischen Kristallstruktur um die Ceratome (der Rest der Kristallstruktur ist vollständig symmetrisch), was diese Verbindung zu einem erstklassigen Kandidaten für topologische Quantencomputer macht. Hassinger plant, ihre Forschung auf andere Quantenmaterialien mit ähnlichen ungewöhnlichen Struktureigenschaften auszuweiten, in der Hoffnung, bei höheren Temperaturen topologische Supraleitung zu erreichen.
Der Europäische Forschungsrat hat Hassinger 2,7 Millionen Euro für ihr Projekt „Exotische Quantenzustände mit lokal gebrochener Inversionssymmetrie unter extremen Bedingungen – Ixtreme“ zugesprochen. In den nächsten fünf Jahren will sie mit den Mitteln das supraleitende „Wunder“ CeRh2As2 am Dresdner Labor weiter erforschen, verwandte Quantenmaterialien entdecken und zu wichtigen Durchbrüchen im Bereich des topologischen Quantencomputings beitragen.
„Wenn wir meine theoretischen Vorhersagen über die topologischen Oberflächenzustände von Cer-Rhodium-Arsen-Verbindungen im Labor bestätigen könnten, würde dies den Weg für die Entstehung topologischer Quantenbits (Qubits) ebnen. Das wäre ein riesiger Fortschritt“, erklärt Hassinger.
Topologische Qubits sind für ihre Stabilität bekannt und liefern Quantenzustände, die viel stabiler sind als nicht-topologische Qubits. Eine der größten Herausforderungen in der aktuellen Forschung ist die Entwicklung einer Methode zur gleichzeitigen Aufrechterhaltung von 1.000 Qubits.
Dadurch könnten Quantenprozessoren Aufgaben in Minuten erledigen, für die herkömmliche Supercomputer Jahre benötigen würden. Deshalb konzentrieren sich die klugen Köpfe von ct.qmat auf die Erforschung topologischer Quantenmaterialien.
Um den unkonventionellen Supraleiter Cer, Rhodium und Arsen zu untersuchen, benötigte Hassinger zunächst einen Kryostat, um Proben des Materials auf unter 0,35 Kelvin (-272,8 Grad Celsius) abzukühlen.
„Diese Maschine kostet mehr als 1 Million Euro“, verriet sie. „Wenn die Probe kalt genug ist, hält sie starkem Druck und einem ultrastarken Magnetfeld von bis zu 18 Tesla stand, was weit über dem 0,1 Tesla-Magnetfeld eines typischen Hufeisenmagneten liegt. Die Durchführung dieser Hochspannungs-Magnetfeldmessungen kann mehrere Monate dauern und erfordert jeden Tag präzise Anpassungen. Ihr Ziel ist es, die zweite supraleitende Phase von CeRh2As2 sorgfältig zu untersuchen, um schlüssig zu beweisen, dass es sich bei diesem Material um einen topologischen Supraleiter handelt. Wenn die Forschung erfolgreich ist, ist dies der Fall.“ „Wundermaterial“ wird nicht nur eine verlustfreie Elektronenleitung ermöglichen, sondern auch leistungsstarke topologische Oberflächenzustände aufweisen, die in Quantencomputeroperationen verwendet werden können.
„Mit dem European Research Council Consolidator Grant (ERCConsolidatorGrant) fördert der Europäische Forschungsrat vielversprechende Pionierforschung. Mit diesem neuen Zuschuss wird Hassinger voraussichtlich der erste sein, der seinen exotischen Quantenzustand experimentell identifiziert und relevante Quantenzustände in ähnlichen Materialien bei höheren Temperaturen entdeckt“, sagt Professor Matthias Vojta, Sprecher des ct.qmat Dresden. „Wir freuen uns, sie als Mitglied unserer ct.qmat-Forschungsfamilie begrüßen zu dürfen.“
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily