Neue Materiezustände schaffen – Forscher erfinden zwei neue Arten der Supraleitung

Forscher haben durch die Anordnung von Atomen nacheinander erfolgreich neue Arten von Supraleitern geschaffen, was zur Entwicklung innovativer Materialien und Fortschritte im Quantencomputing führen könnte. Die Studie weist auf einen vielversprechenden Ansatz zur Überwindung der Einschränkungen natürlich vorkommender Materialien hin und ebnet den Weg für neue Materiezustände in zukünftigen Elektronik- und Computertechnologien.

Die Elektronik der Zukunft hängt von der Entdeckung einzigartiger Materialien ab. Allerdings macht es die Topologie natürlich vorkommender Atome manchmal schwierig, neue physikalische Effekte zu erzeugen. Um dieses Problem anzugehen, ist es Wissenschaftlern der Universität Zürich gelungen, einen Supraleiter zu entwickeln Mais Gleichzeitig entstehen neue Materiezustände.

Wie wird der Computer der Zukunft aussehen? Wie wird es funktionieren? Die Suche nach Antworten auf diese Fragen ist ein wesentlicher Treiber der physikalischen Grundlagenforschung. Die möglichen Szenarien sind vielfältig und reichen von der Weiterentwicklung der klassischen Elektronik bis hin zu Neuronal Computing und Quantencomputern.

Allen diesen Ansätzen ist gemeinsam, dass sie auf neuen physikalischen Effekten beruhen, die teilweise bisher nur theoretisch vorhergesagt wurden. Mit großem Aufwand und modernster Ausrüstung suchen Forscher nach neuen Quantenmaterialien, mit denen sich solche Effekte erzeugen lassen. Was aber, wenn es keine geeigneten natürlichen Materialien gibt?

Ein neuer Ansatz zur Supraleitung

In einer aktuellen Studie veröffentlicht in Naturphysik, Die Forschungsgruppe von Professor Titus Neubert von der ZH-Universität hat in enger Zusammenarbeit mit Physikern am Max-Planck-Institut für Feinstrukturphysik in Halle (Deutschland) eine mögliche Lösung geliefert. Die benötigten Materialien stellten die Forscher selbst her – Atom für Atom.

Sie konzentrieren sich auf neuartige Supraleiter, die besonders interessant sind, weil sie bei niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand bieten. Supraleiter werden manchmal auch als „perfekte binäre Magnete“ bezeichnet und werden aufgrund ihrer ungewöhnlichen Wechselwirkungen mit Magnetfeldern in vielen Quantencomputern verwendet. Theoretische Physiker haben jahrelang verschiedene supraleitende Zustände erforscht und vorhergesagt. „Allerdings konnten bisher nur wenige davon schlüssig in Materialien nachgewiesen werden“, sagt Professor Neubert.

Zwei neue Arten der Supraleitung

In ihrer spannenden Zusammenarbeit haben die Forscher der ZH-Universität theoretisch vorhergesagt, wie sich Atome anordnen würden, um eine neue supraleitende Phase zu erzeugen, und das Team in Deutschland führte dann Experimente durch, um die entsprechende Topologie umzusetzen. Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops bewegten sie die Atome und platzierten sie mit atomarer Präzision an der richtigen Stelle.

Mit der gleichen Methode wurden auch die magnetischen und supraleitenden Eigenschaften des Systems gemessen. Durch die Abscheidung von Chromatomen auf der Oberfläche des supraleitenden Niobs konnten die Forscher zwei neue Arten von Supraleitung erzeugen. Mit ähnlichen Methoden wurden bereits früher Metallatome und -moleküle manipuliert, bislang war es jedoch noch nie möglich, mit diesem Ansatz zweidimensionale Supraleiter herzustellen.

Die Ergebnisse bestätigen nicht nur die theoretischen Vorhersagen der Physiker, sondern geben ihnen auch Anlass zu Spekulationen darüber, welche anderen neuen Materiezustände auf diese Weise erzeugt werden könnten und wie diese künftig in Quantencomputern genutzt werden könnten.

Referenz: „2D-Chiba-Gitter als potenzielle Plattform für kristalline topologische Supraleitung“ von Martina O. Soldini, Felix Koster, Glenn Wagner, Souvik Das, Amal Darawsheh, Ronnie Thomali, Samir Lounis, Stuart S. B. Parkin, Paolo Ceci und Titus Neubert, 10. Juli 2023, Naturphysik.
doi: 10.1038/s41567-023-02104-5