Mit dem Vier-Spitzen-Rastertunnelmikroskop lassen sich elektrische Messungen unter hochreinen Bedingungen an extrem kleinen Strukturen durchführen. (Bild: Forschungszentrum Jülich/Vasily Cherepanov )
Die Idee eines topologischen Quantencomputers beruht auf dem Einsatz topologischer Isolatoren. Dabei handelt es sich um eine neuartige Materialklasse mit ganz besonderen Eigenschaften: Die Materialien verhalten sich im Inneren wie ein Isolator, leiten dort also keinen Strom, die Oberfläche ist jedoch leitfähig. Die Bewegungsrichtung ist dabei streng an den Spin der Elektronen gekoppelt, was eine Voraussetzung für den Einsatz in einem topologischen Quantencomputer ist. Mithilfe eines Vierspitzen-Rastertunnelmikroskops konnten Physiker des Forschungszentrums Jülich jetzt erstmals die elektrischen Eigenschaften in ultradünnen topologischen Isolatoren messen.
Die hohe Fehleranfälligkeit der Quantenbits, kurz Qubits, sind eine der Haupthürden beim Bau praktisch nutzbarer Quantencomputer. Sogenannte topologische Quantencomputer gelten als elegante und aussichtsreiche Lösung für dieses Problem. Die empfindlichen Quanteninformationen sind in einem solchen Rechner durch die Wahl bestimmter Materialien besonders gut gegen Fehler geschützt. Das Konzept existiert bislang jedoch größtenteils nur auf dem Papier. Die Suche nach einem Materialsystem mit den passenden Eigenschaften ist noch in vollem Gange.
Was Sie schon immer über Quantencomputer wissen wollten
Als im Juni 2021 der erste Quantencomputer in Deutschland von IBM eingeweiht wurde, war das Interesse groß. Aber was verbirgt sich hinter der Technologie? Was kann sie eines Tages leisten, woran wird geforscht und wo lauern Gefahren? Das und mehr erfahren Sie hier.
3D-topologischen Isolatoren sind interessant für Quantencomputer und Spintronik
Ein Spezialfall sind die erst vor einigen Jahren entdeckten 3D-topologischen Isolatoren. Diese sind, stellt man sie sich als Würfel vor, an allen sechs Seiten leitfähig. Die Leitfähigkeit an der Oberfläche nimmt jedoch ab, je dünner die 3D-Isolatoren sind, wie die Forscher herausfanden. Was schließlich übrig bleibt, ist eine dünne, nur wenige Nanometer dicke Schicht mit vier leitfähigen Kanten, an denen elektrischer Strom weiterhin spingerichtet fließt.
Aufgrund der besonderen Eigenschaften sind die ultradünnen topologischen Isolatoren interessante Materialien für Anwendungen in der Spintronik – also für die Entwicklung von Bauelementen und Bauteilen, die den Elektronenspin für die Verarbeitung und Speicherung von Informationen nutzen. In Kombination mit Supraleitern könnten sie zudem noch exotischere Effekte für topologische Quantencomputern ermöglichen.
Nachweis der elektrischen Eigenschaften mit Nano-Multimeter
Für die Messungen nutzten die Forscher ein Rastertunnelmikroskop mit vier Spitzen. Das am Forschungszentrum Jülich entwickelte Instrument kann elektrische Messungen unter hochreinen Bedingungen an extrem kleinen Strukturen durchführen. Bei der aktuellen Studie kam außerdem eine neue Methode zum Einsatz, um die Messspitzen mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern zu positionieren. Mithilfe des sogenannten Nano-Multimeters konnten die Forscher zum ersten Mal nachweisen, dass sich die nanoskaligen elektrischen Eigenschaften der Dünnfilme wie theoretisch vorhergesagt verhalten.
