Quantenwirbel im Supraleiter

Winzige Ringe aus dem Supraleiter Strontiumruthenat zeigen exotisches magnetisches Verhalten, das zum Bau von Quantencomputern genutzt werden könnte

Supraleiter-Mikroring
Supraleiter-Mikroring

Urbana-Champaign (USA) - Eingefangene Ionen und Lichtteilchen sind heute die Schaltelemente für erste rudimentäre Quantencomputer. Doch auch mit den quantenphysikalischen Zuständen in größeren Kristallen könnten die enorm leistungsfähigen Quantenchips der Zukunft arbeiten. Einen weiteren Kandidaten fanden Physiker von der Unversity of Illinois in Urbana in dem Supraleiter Strontiumruthenat. In Form winziger Mikroringe zeigten dieses Material ein exotisches magnetischen Verhalten, das sich mit gequantelten Wirbeln erklären lässt. Über ihr Experiment berichten die Forscher in der Zeitschrift "Science".

"Man glaubt, das diese Halb-Quanten-Wirbel in Strontiumrhutenat die Basis für topologische Quantencomputer bilden könnten", sagt Anthony J. Leggett, der 2003 den Nobelpreis für die Entdeckung der Suprafluidität in tiefgekühlten Helium erhalten hat. Seine Idee griffen nun jüngere Kollegen um Raffi Budakian auf. Sie setzten einen nur 500 Nanometer kleinen Ring aus Strontiumrhutenat auf einen filigranen Silizium-Hebel. Tiefgekühlt auf fast minus 273 Grad Celsius wird dieses Material supraleitend. Abhängig von einem äußeren Magnetfeld verändert sich das magnetische Moment dieses Ringes nicht kontinuierlich, sondern in Stufen. Genau diese Eigenschaft erklären die Physiker mit Quantenwirbeln, mit denen man prinzipiell die Basiseinheiten von Quantencomputern, die so genannten Qubits, verwirklichen könnte.

Die Wissenschaftler sind sich allerdings im Klaren darüber, dass Strontiumruthenat nicht in wenigen Jahren zu anwendbaren Quantencomputern führen wird. Viele weitere Experimente müssten belegen, dass diese Zustände gezielt kontrolliert, quantenmechanisch gekoppelt und wieder ausgelesen werden könnten. Da diese Experimente zudem nur bei tiefkalten Temperaturen funktionieren, müsste ein Quantenchip aus Supraleitern immer in einer aufwändigen Kältekammer arbeiten.