English China
Suchen

Informationstechnologie Quanten-Spin-Flüssigkeiten für die IT von morgen

Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Die Nutzung von Quantenphänomen könnte der Informationstechnologie zum nächsten wirklichen Durchbruch verhelfen. Mögliche Kandidaten hierfür sind so genannte Quanten-Spin-Flüssigkeiten. Doch die sind selten. Berliner Forscher sind ihnen jedoch auf der Spur.

Firmen zum Thema

Shravani Chillal hat gemeinsam mit ihrem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) dreidimensionale Quanten-Spin-Flüssigkeit entdeckt.
Shravani Chillal hat gemeinsam mit ihrem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) dreidimensionale Quanten-Spin-Flüssigkeit entdeckt.
(Bild: HZB)

LP: Zugegebenermaßen – es klingt etwas kompliziert. Frau Chillal, was genau versteht man unter Quanten-Spin-Flüssigkeiten und für welche Technologien können sie eingesetzt werden?

Dr. Shravani Chillal: Quanten-Spin- Flüssigkeiten (QSL) sind ein neuer Materiezustand, der ein seltenes komplexes Quantenverhalten aufweist, das als Verschränkung bekannt ist. Im QSL-Zustand schwanken die Spins von Elektronen (die quantisierte Einheiten sind) selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt in korrelierter Weise, was zu verschränkten Zuständen führt. Wenn wir diese verschränkten Zustände verstehen und kontrollieren können, kann man sich auf eine zukünftige Informationstechnologie freuen, die Berechnungen enorm beschleunigen und Probleme angehen kann, die mit klassischem Computing nicht gelöst werden konnten. Dies wird im Volksmund als Quantum Computing oder Quantencomputing bezeichnet.

LP: Wie verhalten sich solche Quanten-Spin-Flüssigkeiten und wie kann man das für künftige Anwendungen nutzen?

Dr. Chillal: Einer der Hauptbestand­teile für die Beobachtung eines QSL in realen Materialien ist das Vorhandensein eines hohen Maßes an so genannter Frustration in Systemen, die ein Netzwerk von Spins enthalten. Wie der Name schon sagt, bedeutet Frustration die Unfähigkeit der Spins in eine eindeutige Richtung zu zeigen, was sie dazu zwingt, kontinuierlich zu schwanken.

Die Stärke der Frustration hängt stark von der Art und Anordnung der Spins ab. Dies führt zur Verschränkung zwischen Spins. Experimentelle Realisierungen des QSL-Zustands sind sehr selten und wurden bisher nur in zweidimensionalen Gittern gefunden. In einem dreidimensionalen Netzwerk von Spins dagegen wird Frustration häufig durch den zusätzlichen Freiheitsgrad kompensiert. Auf der Suche nach Materialien, die potenzielle Kandidaten für das Quantencomputing sein könnten, müssen jedoch alle Möglichkeiten untersucht werden. Ein positiver Beweis des QSL-Zustands im dreidimensionalen System bietet eine solche Möglichkeit.

LP: Mit welchen theoretischen Modellen haben Sie im Rahmen Ihrer Forschung gearbeitet, und wie haben sich diese experimentell belegen lassen?

Dr. Chillal: Unser Team unter der Leitung von Prof. Bella Lake am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat ein solches dreidimensionales Material namens PbCuTe2O6 identifiziert. Tatsächlich stellte Prof. Harald Jeschke (Okayama University, Japan) fest, dass es ein völlig neues dreidimensionales Netzwerk von Spins (aus Kupferionen) aufweist, das wir als Hyper-Hyperkagome-Gitter bezeichnen. Wir haben in unserem Labor die Einkristallform dieser Verbindung synthetisiert und nach Hinweisen auf Verschränkungen gesucht, die experimentell als eigenartige Anregungen der Spins aufgedeckt werden, die als Spinons bekannt sind.

Die Untersuchung solcher Anregungen kann nur an Großforschungsanlagen für Neutronenstreuung durchgeführt werden. In unserem Fall wurde dies am Institut Laue-Langevin (ILL/ Grenoble, Frankreich), bei der ISIS Neutron and Muon Source (Didcot, UK) und am National Institute of Standards and Technology (NIST/ Gaithersburg, USA) durchgeführt. Unsere Experimente bestätigen, dass die Verbindung PbCuTe2O6 tatsächlich die Spinon-Anregungen zeigt, die das Quanten-Spin-Flüssigkeiten-Verhalten unterstützen.

Obwohl dies aufregend ist, ist ein absoluter Beweis eines Spinons experimentell unmöglich, da die Neutronen nur ein Anregungsquantum von 1 (ganze Zahl) untersuchen können, wobei ein Spinon ein Quantum von ½ (Bruchzahl) hat. Zur weiteren Bestätigung des QSL-Zustands in PbCuTe2O6 haben wir daher die Spinonanregungen dieser Verbindung auch theoretisch untersucht.

Das Team unter der Leitung von Prof. Johannes Reuther vom HZB in Zusammenarbeit mit Dr. Yasir Iqbal vom Indian Institute of Technology Madras (IIT Madras, India) betrachtet ein Modell von PbCuTe2O6, welches ein Netzwerk wechselwirkender Ferm­ionen (Partikel des Spinquanten ½) ist, und berechnet deren Korrelationen bei sinkender Temperatur. Zu unserer Überraschung beschreiben diese berechneten Anregungsspektren selbst kleinste Details der experimentellen Daten. Dieses Maß an Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie wird bei dreidimensionalen Spinsystemen selten beobachtet. Aus diesem Grund sind wir zuversichtlich, dass Quanten-Spin-Flüssigkeiten auch dreidimensional verfügbar sind und den Umfang der für Quantencomputeranwendungen geeigneten Materialien erhöhen.

Frau Dr. Chillal, vielen Dank für das Gespräch.

(ID:46599948)