27. September 2022
Forschende berechnen außergewöhnliche Zustände in Quantenmaterial

Zwei Teil­chen? Drei Teil­chen!

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Drei-Teilchen-Zustand und Röntgenstrahlung
Drei-Teil­chen-Zu­stand und Rönt­gen­strah­lung
Credit: ©TU Dortmund

Drei-Teilchen-Zustand und Röntgenstrahlung

Die Rönt­gen­strah­lung (blau­er Pfeil) wird vom Ma­te­ri­al auf­ge­nom­men und über­trägt Ener­gie auf die Ato­me. Wenn da­bei ein Drei-Teil­chen-Zu­stand (rot) er­zeugt wird, ist ei­ne be­son­ders star­ke Streu­ung der Strah­lung mess­bar (ro­ter Pfeil und ro­te Dar­stel­lung rechts).
  • Internationales Team findet einen magnetischen Drei-Teilchen Zustand im Hochtemperatur-Supraleiter.
  • Die Bindungskraft der Teilchen unterscheidet sich von den bisher bekannten Mechanismen.
  • Experimenteller Nachweis soll mit Röntgenstrahlen gelingen.
  • Die Entdeckung könnte die Basis sein für topologische Quantencomputer, die als widerstandsfähig gegen Störungen gelten.
  • Schwerpunkte: Digitalisierung, Quantenmechanik, Quantencomputing, Technologie, Grundlagenforschung

Ganz vereinfacht reichen zwei geladene Teilchen, um die Welt zu erklären: Die Teilchen stoßen sich ab oder ziehen sich an. Das gilt zum Beispiel für ein Ion und ein Elektron. Auf dieser physikalischen Basis bilden sich auch Moleküle und große Festkörper. Jetzt haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Drei-Teilchen-Zustand entdeckt – genauer gesagt: Sie haben ihn in einem speziellen Material berechnet. Die Forschenden vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Technischen Universität Dortmund und dem Los Alamos National Laboratory zeigen auch, wie der Drei-Teilchen-Zustand in einem Experiment nachgewiesen werden kann: mit Röntgenstrahlen. In Zukunft könnte die magnetische Dreiergruppe sogar zu einer Technologie für Quantencomputer wachsen.

„Die Vorhersage dieser Drei-Teilchen-Zustände hat eine fundamentale Bedeutung, weil sich ihre Bindungskraft grundsätzlich von den bisherigen bekannten Mechanismen unterscheidet. Durch die Entdeckung steigt die Wahrscheinlichkeit, dass wir noch exotischere Zustände finden: So könnten sich zum Beispiel ganze Ketten von magnetischen Anregungen formen“, erklärt Dr. Benedikt Fauseweh, Gruppenleiter im DLR-Institut für Softwaretechnologie in Köln. Die Ketten könnten später zu Qubits „verknotet“ werden, den Rechenbausteinen von Quantencomputern. Die Informationen wären in den einzelnen Ketten („Strings“) gespeichert. Und die Rechenoperationen würden dann in den „Knoten“ der Strings durchgeführt. Die Knoten sind in der Quantenwelt außergewöhnlich stabil. Deswegen gelten die sogenannten topologischen Quantencomputer, die auf dieser Grundidee beruhen, als widerstandsfähig gegen äußere Störungen. Das ist ein Vorteil gegenüber anderen Technologien für Quantencomputer.

Vi­deo: Dr. Be­ne­dikt Fau­se­weh er­klärt die Drei-Teil­chen-Zu­stän­de
For­schen­de des DLR, der TU Dort­mund und des Los Ala­mos Na­tio­nal La­bo­ra­to­ry ha­ben ei­nen Drei-Teil­chen-Zu­stand in ei­nem Hochtem­pe­ra­tur-Su­pra­lei­ter ent­deckt. Dr. Be­ne­dikt Fau­se­weh er­klärt im Vi­deo, wel­che Be­deu­tung das für die Grund­la­gen­for­schung und das Quan­ten­com­pu­ting hat.

Neue Erkenntnisse über Quantenmaterialien und Supraleitung möglich

Zwei Jahre haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Berechnung der Drei-Teilchen-Zustände in Hochtemperatur-Supraleitern gearbeitet. Diese Materialklasse basierend auf Kupferoxiden ist erst seit den 1980er Jahren bekannt und hat Eigenschaften, die noch nicht vollständig geklärt sind (siehe Infokasten). Die aktuellen Forschungsergebnisse wurden im Wissenschaftsmagazin Communications Physics veröffentlicht, inklusive einer Anleitung, wie die Zustände praktisch nachgewiesen werden: Durch Experimente mit Röntgenstrahlung sollen die drei aneinander gebundenen Teilchen sichtbar werden. „Die Röntgenstrahlung wird vom Material aufgenommen und überträgt Energie auf die Atome. Wenn dabei ein Drei-Teilchen-Zustand erzeugt wird, ist eine besonders starke Streuung der Strahlung messbar“, sagt Benedikt Fauseweh.

Die Drei-Teilchen-Zustände sind auch für die Grundlagenforschung hochinteressant: Wenn der Nachweis mit Röntgenstrahlen gelingt, wäre das eine vielversprechende experimentelle Möglichkeit, mehr über Quantenmaterialien zu lernen. Gleichzeitig können mögliche Effekte dieser starken Bindung in Hochtemperatur-Supraleitern beobachtet werden. „Spannend wäre es zum Beispiel, wenn die Drei-Teilchen-Zustände einen wichtigen Einfluss auf die Supraleitung und ihre Sprungtemperatur haben“, erklärt Benedikt Fauseweh.

Hochtemperatur-Supraleiter

Supraleiter sind Materialien, die elektrischen Strom ohne jeden Widerstand leiten. Dazu müssen sie unter ihre sehr niedrige „Sprungtemperatur“ gekühlt werden. Unterhalb dieser Temperatur wird ein System von quantenmechanischen Effekten dominiert. Zum Kühlen eignet sich zum Beispiel flüssiges Helium bei -269 Grad Celsius. Hochtemperatur-Supraleiter wurden erstmals 1986 von Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller entdeckt. 1987 erhielten die beiden Physiker dafür den Nobelpreis. Hochtemperatur-Supraleiter zeichnen sich durch eine in der Regel sehr viel höhere Sprungtemperatur aus. Sie haben ungewöhnliche Quanteneigenschaften, die sie von konventionellen Supraleitern unterscheiden. Hochtemperatur-Supraleiter gehören zur Klasse der Quantenmaterialien und stehen im Zentrum moderner Festkörperforschung. Der Mechanismus, der zu Supraleitung in diesen Materialien führt, ist bis heute nicht vollständig verstanden. Es ist jedoch bekannt, dass magnetische Anregungen dabei eine wichtige Rolle spielen.

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Quantencomputer

Neuartige Form eines Rechners, der auf Basis der Gesetze der Quantenphysik arbeitet. Seine Quantenbits (Qubits) können nicht nur die Zustände 0 und 1 einnehmen, sondern auch Zwischenwerte. Quantencomputer haben das Potenzial, bestimmte Aufgaben zu lösen, an denen klassische Computer scheitern.

Qubit

Qubits (Quantenbits) sind die kleinsten Rechen- und Speichereinheiten eines Quantencomputers, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren. Im Gegensatz zu den klassischen Bits der herkömmlichen Digitalrechner, die nur die Zustände 0 und 1 kennen, können Qubits unendlich viele Zwischenwerte annehmen. Als Qubits dienen Zweizustands-Quantensysteme auf atomarer Ebene (beispielsweise Atome, Ionen oder Lichtquanten) oder in Festkörpern (beispielsweise in Halbleitern oder Supraleitern).