Maßgeschneiderte Ketten für Majorana-Zustände

24. September 2020, von MIN-Dekanat

Foto: Schneider

Dreidimensionale gerenderte Ansicht, die eine rastertunnelmikroskopische Aufnahme einer Kette von 20 Eisenatomen (Fe) und fünf Cobaltatomen (Co) an beiden Enden zeigt, die auf der Oberfläche eines supraleitenden Rheniumkristalls (Re) montiert sind. Die hellen Halos stellen die künstlerische Darstellung des gemessenen Signals bei der Fermi-Energie dar.

Einer Forschungsgruppe unter Leitung der Universität Hamburg ist es gelungen, Signaturen von Majorana-Zuständen in einer Atom für Atom zusammengesetzten Kette aus Cobalt- und Eisen-Atomen nachzuweisen. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, Majorana-Kettennetzwerke zu designen, die für Quantencomputer eingesetzt werden könnten. Die Studie ist in Nature Communications erschienen.

Majorana-Teilchen sind exotische Elementarteilchen die identisch mit ihren Antiteilchen sind. Sie wurden vor über 80 Jahren von dem italienischen Theoretiker Ettore Majorana vorhergesagt, sind aber bis heute nicht eindeutig nachgewiesen worden. Allerdings haben in den vergangenen Jahren mehrere Forschungsgruppen die Signaturen von Majorana-Zuständen in festkörperartigen Systemen bei Laborexperimenten gefunden.

Nun ist es einer Gruppe von Wissenschaftlern des Fachbereichs Physik der Universität Hamburg in Zusammenarbeit mit Theoretikern des Forschungszentrums Jülich gelungen, eine Kette aus Cobalt und Eisenatomen Atom für Atom auf einer atomar sauberen supraleitenden Oberfläche (Rhenium-Kristall) zu fertigen, in der sich genau an dem Übergang zwischen den magnetischen Eisenatomen und den nichtmagnetischen Cobaltatomen Signaturen von Majorana-Zuständen zeigen. Die Ketten können mehr als 100 Atome lang sein und werden nur durch Oberflächendefekte und die Anzahl der verfügbaren Einzelatome in der Umgebung begrenzt.

Durch den Abschluss der Eisenkette mit Cobalt konnten die Wissenschaftler um Lucas Schneider und Dr. Jens Wiebe aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Roland Wiesendanger verhindern, dass am Ende der Ketten parasitäre elektronische Zustände, sogenannte Yu-Shiba-Rusinov-Zustände, entstehen. Durch die Kombination realisieren die Physiker einen scharfen räumlichen Übergang zwischen der magnetischen Spiralordnung in der Eisenkette und dem nichtmagnetischen supraleitenden Drahtabschluss aus Cobalt, der zu einer deutlicheren Signatur des Majorana-Zustands führt.

Majorana-Zustände gelten als heiße Kandidaten für zukünftige Quantencomputer, da sie weitgehend unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wären.