Aktuelles: Der Vorteil von Randzust?nden

Mit Unterstützung des Lehrstuhls für Quanten-Nanowissenschaft (Prof. Dr. Franz Gie?ibl) hat ein Team von Wissenschaftler:innen des National Institute for Standards and Technology in Gaithersburg, Maryland (USA), robuste Quantenzust?nde untersucht, die m?glicherweise für Quantencomputer wichtig werden k?nnten.

Von der Widerstandskraft der Quanten-Hall-Zust?nde

百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Quantenzust?nde m?gen nicht unverwundbar sein wie Superman, aber Ensembles von Elektronen, welche sich an den R?ndern ultradünner Leiter versammeln, haben ihre eigenen Superkr?fte: Sie widerstehen St?rungen wie Biegen, Dehnen, ?u?eren Magnetfeldern und Fehlstellen, welche in herk?mmlichen Leitern die Bewegung von Elektronen behindern. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Ensembles von Elektronen, bekannt als Quanten-Hall-Randzust?nde, behalten unter all diesen St?rungen ihre Eigenschaften. Ihre Widerstandsf?higkeit hat ungew?hnliche und erstaunliche physikalische Konsequenzen. Zum Beispiel erkl?ren diese Zust?nde, warum die inneren Atomschichten mancher Materialien im Inneren Isolatoren sind, w?hrend ihre R?nder exzellente Leiter sind. Die Entdeckung dieser Materialien, bekannt als topologische Isolatoren, hat zu zwei Nobelpreisen in der Physik geführt.

Zudem erforschen Physiker, ob sich die Widerstandskraft der Quanten-Hall-Randzust?nde zum Bau von Quantenbits, den wesentlichen Bausteinen der Quanteninformation, nutzen l?sst. Obwohl Quantenbits viel mehr Informationen als klassische Bits beinhalten, k?nnen ihre Quanteneigenschaften leicht gest?rt werden, was die enthaltene Information vernichtet. Quanten-Hall-Randzust?nde k?nnten eine stabile Alternative bilden.

Trotz all ihrer fesselnden Eigenschaften konnten Quanten-Hall-Randzust?nde bislang noch nicht abgebildet werden, obwohl sie zum Ohm‘schen Widerstand des Materials beitragen, einer makroskopisch messbaren Gr??e. Nun ist das erstmals gelungen: Ein Team von Wissenschaftler:innen des National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, Maryland (USA), konnte in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen weltweit – darunter Physiker der Universit?t Regensburg - Bilder dieser Quanten-Hall-Randzust?nde aufnehmen und ihre Struktur und Gr??e vermessen. Die Ergebnisse sind vor Kurzem in Band 8 der Zeitschrift Nature Communications erschienen.

Die Untersuchung von Quanten-Hall-Randzust?nden von Graphen

Das Team untersuchte die Quanten-Hall-Randzust?nde von Graphen – einer atomar dünnen Lage von Kohlenstoffatomen in der bekannten Bienenwaben-Struktur. Graphen ist von besonderem Interesse, weil es ein neues und robustes Standardma? für den elektrischen Widerstand erm?glicht. Wenn es auf wenige Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt gekühlt und einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird, zeigt Graphen den Quanten-Hall-Effekt. Der Quanten-Hall-Effekt zeigt sich in einer Quantisierung der sogenannten Hall-Spannung, einer Spannung quer zur Stromrichtung einer Probe, die von einem Magnetfeld durchsetzt wird. Teilt man diese Hall-Spannung durch die Stromst?rke und tr?gt man dieses Verh?ltnis als Funktion der magnetischen Feldst?rke auf, so erh?lt man den quantisierten, in Stufen verlaufenden Quanten-Hall-Widerstand, der mit einer Pr?zision von eins zu einer Milliarde gemessen werden kann und lediglich auf zwei Naturkonstanten beruht: auf der Elementarladung des Elektrons und dem Planck’schen Wirkungsquantum.

Die Randstr?me verraten sich durch ihr elektrisches Feld, welches von der empfindlichen Abtastspitze eines Rasterkraftmikroskops nachgewiesen wurde. Das Team verma? die Energien dieser Randzust?nde und ihre r?umliche Ausdehnung von lediglich 10 Nanometern (Milliardstel Meter) oder etwa 40 Atomdurchmessern.

Ein Schweizer Taschenmesser für die Quantenforschung

Um den Quanten-Hall-Effekt im Graphen besser verstehen zu k?nnen, benutzten die Forscher:innen ein speziell entwickeltes Kombiinstrument, welches Rastertunnelmikroskop, Rasterkraftmikroskop und ein Ger?t zur Messung der Stromleitungseigenschaften in Abh?ngigkeit der magnetischen Feldst?rke vereint. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网es ?Three-in-One-Ger?t“, welches das Team als Schweizer Taschenmesser der Materialforschung bezeichnet hat, ist für das Studium von Quantenmaterialien wie Graphen von entscheidender Wichtigkeit. Für viele gew?hnliche Materialien kann man Quanteneffekte auf makroskopischem Ma?stab vernachl?ssigen. In Quantenmaterialien dagegen bestehen starke Quanteneffekte auch auf einer Skala von Millimetern oder mehr. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Effekte führen zu bemerkenswerten Eigenschaften, wie den Quanten-Hall-Randzust?nden, die für neue Technologien nutzbar gemacht werden k?nnen, aber mit einer Fülle von Instrumenten studiert werden müssen.

Das Team untersucht weiter, wie die Energiewerte und ?rtlichen Verteilungen der Quanten-Hall-Randzust?nde den theoretischen Vorhersagen entsprechen. Es ist geplant, Quanten-Hall-Widerst?nde aus zwei gegeneinander verdrehten Graphenlagen zu untersuchen. ?Die rotierten Schichten k?nnten neuartige Randzust?nde mit bislang unbekannten Eigenschaften zeigen. Sie k?nnten neue Forschungsgebiete mit m?glichen Anwendungen in der Quantenkommunikation etablieren“, erkl?rt Dr. Joseph Stroscio vom NIST, der Leiter der Studie.

Die Zusammenarbeit wurde unterstützt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, SFB 1277.

Originalpublikation

S. Kim, J. Schwenk, D. Walkup, Y. Zeng, F. Ghahari, S.T. Le, M.R. Slot, J Berwanger, S.R. Blankenship, K. Watanabe, T. Taniguch, F.J. Giessibl, N.B. Zhitenev, C.R. Dean, and J.A. Stroscio. Edge Channels of Broken-Symmetry Quantum Hall States in Graphene visualized by Atomic Force Microscopy. Nature Communications, 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-22886-7
https://doi.org/10.1038/s41467-021-22886-7 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)

Weiterführende Informationen

• Englische Pressemitteilung des NIST: https://www.nist.gov/news-events/news/2021/05/nist-team-probes-indestructible-quantum-states-may-aid-quantum-computing
• Pressemitteilung der UR zur Entwicklung des ?Schweizer Taschenmessers für die Quantenforschung“
• Webseite von Joseph A Stroscio am NIST
• Lehrstuhl für Quanten-Nanowissenschaft (Prof. Dr. Franz Gie?ibl)
• ?ber die Physik-Nobelpreise für die Entdeckung der topologischen Isolatoren (PDF-Dokument)