Magnetische Wirbel in Supraleitern gelten oft als störend, da sie die supraleitenden Eigenschaften beeinträchtigen können. Doch Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun in einer bahnbrechenden Studie gezeigt, dass diese Wirbel in bestimmten Materialien als kontrollierbare Quantensysteme fungieren können. Wie Uni Ulm berichtet, wurde die Forschung in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und enthielt auch Beiträge von Ulmer Physikern.
Supraleiter sind Materialien, die elektrischen Strom ohne Widerstand leiten und Magnetfelder verdrängen, bis ein kritisches Magnetfeld überschritten wird. Wenn dies geschieht, dringen Magnetfelder in Form von quantisierten Wirbeln, auch Vortices genannt, in das Material ein. Diese Wirbel sind problematisch, da sie Energieverluste verursachen und die Leistungsfähigkeit supraleitender Systeme einschränken. Die Forschenden nahmen jedoch supraleitende Dünnfilme aus granularen Aluminiumschichten unter die Lupe, die sich in der Nähe des Übergangs zwischen Supraleitung und Isolator befinden.
Kontrollierte Quantenzustände
In diesen granularen Aluminiumschichten verlieren die Wirbel ihre störenden Eigenschaften und bilden stabile, verlustarme Zustände. Die Struktur des Materials besteht aus nanoskaligen supraleitenden Inseln, die durch schwache Kopplungen miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht eine komplexe Energielandschaft mit lokalen Minima, in der die Wirbel quantenmechanisch tunneln können. Die herausragenden Ergebnisse zeigen, dass die magnetischen Wirbel sich ähnlich wie künstliche Atome mit zwei klar unterscheidbaren Zuständen verhalten.
Diese Eigenschaften sind entscheidend für den Einsatz als Qubits in Quantentechnologien. Die Forschenden haben erfolgreich Vortex-Qubits nachgewiesen, die gezielt angeregt, kontrolliert und ausgelesen werden können. Die gemessenen Kohärenz- und Relaxationszeiten liegen im Mikrosekundenbereich, was sie vergleichbar mit etablierten supraleitenden Qubit-Systemen macht.
Neue Perspektiven für die Quanteninformationstechnologie
Die potenziellen Anwendungen von Vortex-Qubits sind vielfältig und reichen von der Quanteninformationstechnologie bis hin zur Analyse mikroskopischer Eigenschaften von Supraleitern als empfindliche Sonden. Die Studie zeigt weiterhin, dass unerwünschte Effekte in der Physik unter den richtigen Bedingungen nützliche quantenmechanische Ressourcen werden können. An dieser innovativen Studie waren nicht nur Forschende des KIT beteiligt, sondern auch Wissenschaftler der Universität Antwerpen und der Universität Ulm, darunter Professor Joachim Ankerhold.
Die theoretischen Grundlagen für die Arbeit wurden von Ankerhold und seiner Arbeitsgruppe ausgearbeitet, um die experimentellen Resultate besser zu verstehen. Die Ergebnisse dieser umfassenden Forschung eröffnen neue Perspektiven für die Entwicklung von Quantentechnologien sowie für die Untersuchung fundamentaler Fragen in der Quantenphysik.