Neuer Quantenzustand nachgewiesen Experimente mit Materialien für zukünftige Quantencomputer

Einem Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Braunschweig, Korea und Frankreich gelang es, einen neuartigen Quantenzustand zu erzeugen und nachzuweisen. Dieser Zustand zeichnet sich durch seine ungewöhnlichen Anregungen aus, die einen „gebrochenen“, fraktionalen Charakter besitzen. Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des Exzellenzclusters QuantumFrontiers und im Metrologie-Forschungsschwerpunkt an der TU Braunschweig unterstützt sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Die Ergebnisse sind im Magazin „Nature Communications“ erschienen.

In Materialien mit stark wechselwirkenden Elektronen können exotische und unerwartete Phänomene auftreten. So kann ein Material unter bestimmten Temperaturen und weiteren Umgebungsbedingungen abrupt seine Eigenschaften ändern: Ein sogenannter Metall-Isolator-Übergang führt zum Beispiel zu einem Verschwinden der elektrischen Leitfähigkeit, während ein supraleitender Zustand elektrischen Transport bei verschwindendem Widerstand ermöglicht. Daneben gibt es Phasen, in denen aus einem kollektiven Verhalten der Teilchen ein „fraktionaler“ Charakter entsteht. Fraktional heißt in diesem Fall, dass sie sich wie ein geteiltes, gebrochenes Teilchen verhalten.

Ein Beispiel für diesen Effekt ist der fraktionale Quanten-Hall-Effekt, der aufbauend auf Arbeiten von Klaus von Klitzing beobachtet wurde und Quasi-Teilchen mit gebrochener Elementarladung beherbergt. Solche gebrochenen Quasi-Teilchen, auch „Anyonen“ genannt, verhalten sich anders als Teilchen, die sich mit der konventionellen Quantenmechanik beschreiben lassen. In der Theorie werden sie als wichtige Basis zukünftiger Quantencomputeranwendungen diskutiert. Ihr experimenteller Nachweis gestaltet sich allerdings als extrem herausfordernd.

In einer internationalen Kollaboration haben nun Forscherinnen und Forscher der TU Braunschweig, der Chung-Ang University Seoul, der Université Diderot-Paris und des Hochmagnetfeldlabors Grenoble experimentelle Hinweise auf diese exotische Phase mit fraktionalen Anyonen in der Verbindung Ruthenium(III)-chlorid (a-RuCl₃) gefunden. „Dafür wurden optische Spektroskopie-Experimente unter extremen Bedingungen – das heisst bei tiefen Temperaturen um 2 Kelvin und in hohen Magnetfeldern bis 30 Tesla – durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse deuten darauf hin, dass Materialien wie a-RuCl₃ vielversprechende Ansätze bieten, um zukünftige Quantencomputer zu realisieren“, sagt Dr. Dirk Wulferding von der TU Braunschweig.

Die Experimente wurden im November 2018 in Paris an der Université Diderot-Paris, und im Mai 2019 im Hochmagnetfeldlabor Grenoble durchgeführt. Darüber hinaus besteht eine intensive Zusammenarbeit mit der koreanischen Gruppe seit über zehn Jahren.

Publikation:

Wulferding, D., Choi, Y., Do, S. et al. Magnon bound states versus anyonic Majorana excitations in the Kitaev honeycomb magnet α-RuCl₃. Nat Commun 11, 1603 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15370-1