Ein internationales Forschungsteam, an dem das Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) der Universität Paderborn beteiligt ist, hat bahnbrechende Fortschritte im Bereich der Quantenmaterialien erzielt. Diese Materialien spielen eine entscheidende Rolle für die Entwicklung von künstlicher Intelligenz und Quantencomputern. Die Forscher entdeckten neuartige, hochleitfähige Zonen an Grenzflächen innerhalb dieser Systeme, die bisher als elektrisch isolierend galten. Diese Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht und schaffen neue Perspektiven für die zukünftige Entwicklung von Computerchips sowie Speicherelementen für Quantenanwendungen und ultraschnelle Rechentechnologien.
Ein besonderer Fokus der Studie liegt auf den „verdrehten Grenzflächen“, die aus gestapelten, kristallinen Schichten bestehen, welche in bestimmten Winkeln angeordnet sind. Die Forscher konzentrierten sich dabei auf Lithiumniobat, ein Material, das nicht zu den klassischen van-der-Waals-Materialien zählt. Durch eine thermische Kompressions-Bonding-Methode, bei der Hitze und mechanischer Druck kombiniert werden, konnten die Lithiumniobatschichten erfolgreich miteinander verbunden werden. Dabei wurde festgestellt, dass die Manipulation der elektrischen Eigenschaften an der Grenzfläche möglich ist und die Entstehung der hochleitfähigen Zonen vom Drehwinkel abhängt.
Forschung zu elektronisch korrelierten Materialien
Die Leitung des Projekts obliegt Dr. Dirk Fuchs, der sich auf dünne Schichten und Grenzflächen elektronisch korrelierter Materialien spezialisiert hat. Diese Materialien zeigen im Vergleich zu Volumenmaterialien ungewöhnliche Eigenschaften. Zu den aktuellen Forschungsgebieten zählen unkonventionelle eisenhaltige Supraleiter sowie Iridate mit Perowskit-Struktur. Weitere bedeutende Fragestellungen betreffen den elektronischen Transport in epitaktischen FeSe-Schichten und die Spin-Bahn-Kopplung in Iridat-Schichten. Insbesondere die anisotropen Eigenschaften des elektronischen Transports im 2D-Elektronensystem an Grenzflächen oxidischer Heterostrukturen stehen im Fokus.
Die Untersuchung der Schichten umfasst eine detaillierte Analyse ihrer Oberflächenstruktur, kristallographischen Eigenschaften, Mikrostruktur, Magnetismus und elektronischen Struktur. Diese Forschungsarbeiten sind Teil der umfassenden Bemühungen der Jülicher Forscher, innovative Entwicklungen voranzutreiben. Diese Arbeiten werden durch nationale und internationale Organisationen, darunter die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), unterstützt.
Der Kontext der Quantenmaterialien
Quantenmaterialien, zu denen Halb- und Supraleiter zählen, sind bereits in zahlreichen Technologien integriert, darunter in Lasern, Smartphones, Solarzellen und Teilchenbeschleunigern. Ihre Entwicklung ist entscheidend für neue Technologien wie Quantencomputer und Quantensensoren, die durch die Optimierung bestehender Materialien und die Entwicklung neuer Aspekte vorangetrieben wird. Die Suche nach geeigneten Quantenmaterialien stellt Wissenschaftler vor komplexe Herausforderungen, da die zugrunde liegenden Quantenzustände sehr empfindlich sind und präzise gesteuert werden müssen.
Die Jülicher Forscher haben bedeutende Fortschritte bei der Nutzung von Halb- und Supraleitern erzielt, um eine limitierte Anzahl von Qubits zu realisieren. Um jedoch Quantencomputer mit Millionen von Qubits zu bauen, sind dringend weitere Optimierungen nötig. Dazu gehört auch die Untersuchung von Quantenmaterialien unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen und starken Magnetfeldern. Ein Beispiel für innovative Entwicklungen ist die Integration eines topologischen Isolators in ein supraleitendes Qubit, ein Schritt in Richtung der Realisierung von Majorana-Qubits. Hybrid-Qubits aus zwei Quantenmaterialien bieten zusätzliche Stabilität im Vergleich zu herkömmlichen halb- oder supraleitenden Qubits.
Insgesamt gilt es, die Forschung voranzutreiben und neue Instrumente wie das Quantenmikroskop zu entwickeln, um Quanteneffekte detaillierter untersuchen zu können. Das Helmholtz Quantum Center, das im Forschungszentrum Jülich eingerichtet wird, ist ein weiterer wichtiger Schritt, um das gesamte Spektrum der Quantencomputing-Forschung abzudecken und zukünftige Perspektiven in der Quantentechnologie zu realisieren.