Ein Forschungsteam der Pritzker School of Molecular Engineering an der Universität Chicago veröffentlichte kürzlich einen Artikel in der Fachzeitschrift *npj 2D Materials & Applications*. Darin wird eine computergestützte Hochdurchsatzstrategie vorgestellt, die ein systematisches Screening von 2D-Materialien ermöglicht, die für Quantentechnologien geeignet sind. Diese Strategie bietet einen neuen datenbasierten Ansatz zur Identifizierung idealer 2D-Materialien und geeigneter Substrate.

Die Stabilität von Qubits ist entscheidend für ihre Funktionalität und wird häufig anhand der Spin-Kohärenzzeit gemessen. 2D-Materialien gelten aufgrund ihrer atomaren Dicke, die Umwelteinflüsse reduziert, als potenziell ideale Träger für Qubits. Michael Toriyama, Erstautor der Studie und Postdoktorand, betont: „Da bisher nur wenige 2D-Materialien als Qubit-Träger untersucht wurden, fehlte es dem Forschungsfeld an einem umfassenden Leitfaden zur Identifizierung neuer Kandidatenmaterialien.“ Das Forschungsteam entwickelte ein automatisiertes Berechnungsverfahren zur Vorhersage der Kohärenzzeit von Qubits in Tausenden von zweidimensionalen Materialien in Kontakt mit einem Substrat.

Mithilfe von Simulationsberechnungen untersuchte das Team über tausend Monolagenmaterialien und fand heraus, dass 189 davon längere Spin-Kohärenzzeiten als der üblicherweise verwendete Diamantträger ermöglichen könnten. „Wir haben festgestellt, dass Materialien wie WS₂ und verschiedene Goldoxyselenide besonders vielversprechend sind, mit vorhergesagten Kohärenzzeiten im Bereich von einigen zehn Millisekunden“, sagte Professorin Giulia Galli, Hauptautorin der Studie. Die Untersuchung evaluierte außerdem über 1.500 Kombinationen aus zweidimensionalem Material und Substrat und zeigte, dass die Substratauswahl entscheidend ist, wobei bestimmte Oxidmaterialien zu längeren Kohärenzzeiten beitragen.

Um ein großflächiges Screening zu ermöglichen, entwickelte das Forschungsteam zudem analytische Modelle zur schnellen Abschätzung von Kohärenzzeiten. Mithilfe dieser Modelle erweiterten sie die Suche auf fast 5.000 zweidimensionale Materialien und identifizierten über 500 neue Kandidatenmaterialien mit längeren vorhergesagten Kohärenzzeiten. Mitautor Jiawei Zhan erklärte, dass die strukturellen Bausteine ​​dieser vielversprechenden Materialien geeignet sein könnten, Qubits mit idealen elektronischen Eigenschaften aufzunehmen.

Die Kernaussage dieser Forschung ist, dass es weitaus mehr potenziell nützliche zweidimensionale Quantenmaterialien gibt als bisher bekannt. Diese datenbasierte Strategie wird dazu beitragen, die Suche vom Versuch-und-Irrtum-Prinzip hin zu einem rationalen Design zu verlagern und einen systematischen Leitfaden für die Entdeckung von Qubit-Trägern der nächsten Generation zu liefern.

Weitere Informationen: Autoren Michael Y. Toriyama et al., Titel: „Strategien zur Suche nach zweidimensionalen Materialien mit langen Spin-Qubit-Kohärenzzeiten“, veröffentlicht in npj 2D Materials and Applications (2025).