Ein Forschungsteam der Pritzker School of Molecular Engineering in Chicago und der West Virginia University hat kürzlich eine innovative Technik entwickelt, mit der sich topologische Phasen in quantenmechanischen Supraleitern durch Einstellen der Materialzusammensetzung präzise kontrollieren lassen. Diese Forschung bietet neue Möglichkeiten für die gezielte Manipulation von Quantenmaterialien.

Die Studie konzentrierte sich auf das topologische Supraleitermaterial Eisenselenid-Tellurid. Dieses Material vereint supraleitende Eigenschaften mit exotischen topologischen Merkmalen. Seine starke Spin-Bahn-Kopplung und ausgeprägte elektronische Korrelationen machen es zu einer idealen Plattform für die Erforschung quantenmechanischer Wechselwirkungen. In früheren Studien waren massive Kristallmaterialien aufgrund ungleichmäßiger Zusammensetzung schwer präzise zu steuern.

Die Forscher stellten das Material innovativ als ultradünne Schicht mit nur 10 Atomlagen Dicke her und erreichten durch die Regulierung des Verhältnisses von Tellur zu Selen eine effektive Kontrolle der Quantenphase. Die Experimente zeigten, dass das Material bei einem Telluranteil von über 70 % von einem topologisch trivialen in einen nicht-trivialen Zustand übergeht und dadurch geschützte Oberflächenzustände erhält.

„Wenn die Korrelation zu stark ist, frieren die Elektronen einfach ein“, erklärt Haoron Lin, Doktorand an der Pritzker School of Molecular Engineering in Chicago. „Wenn sie zu schwach ist, verliert das Material seine besonderen topologischen Eigenschaften. Aber bei genau dem richtigen Niveau erhält man einen topologischen Supraleiter.“

Weitere Untersuchungen ergaben, dass reines Eisentellurid unter bestimmten Bedingungen seine topologischen Oberflächenzustände verliert – ein Phänomen, das die hohe Einstellbarkeit von Quantenmaterialien verdeutlicht. Subhasish Mandal, Assistenzprofessor für Physik an der West Virginia University, erklärt: „Das zeigt, dass elektronische Korrelationen ein mächtiges und bisher unterschätztes Werkzeug für das Engineering topologischer Quantenmaterie sind.“

Im Vergleich zu konventionellen topologischen Supraleitern arbeitet dieses ultradünne Material bereits bei 13 Kelvin, deutlich höher als die 1 Kelvin, die für aluminiumbasierte Systeme erforderlich sind. Dies ermöglicht den Einsatz standardmäßiger Heliumverflüssigungstechnologie und senkt die Anwendungskosten erheblich. Die ultradünne Struktur bietet zudem Vorteile für die Bauteilfertigung.

Haoron Lin fügt hinzu: „Wenn man dieses Material praktisch anwenden will, muss man es als dünne Schicht wachsen lassen können, anstatt Schichten von einem massiven Material abzuziehen, dessen Zusammensetzung ungleichmäßig sein kann.“ Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht und liefern eine wichtige Materialgrundlage für die Entwicklung von Quantencomputing-Technologien.