“Willkommen Anionen!”

Physiker finden bisher beste Beweise für lang gesuchte 2D-Strukturen

Die “Quasiteilchen” trotzen den Kategorien gewöhnlicher Teilchen und öffnen einen möglichen Weg zum Bau von Quantencomputern an, schreibt Davide Castelvecchi am 02,07.2020 in Nature. Physiker haben berichtet, was der erste unumstößliche Beweis für die Existenz von ungewöhnlichen teilchenähnlichen Objekten namens Anionen sein könnte, die vor mehr als 40 Jahren erstmals angedacht wurden.

Anionen sind das jüngste Mitglied einer wachsenden Familie von Phänomenen, die als Quasiteilchen bezeichnet werden, bei denen es sich nicht um Elementarteilchen, sondern um kollektive Anregungen vieler Elektronen in Festkörpern handelt. Ihre Entdeckung, die mit Hilfe eines elektronischen 2D-Geräts gemacht wurde, könnte die ersten Schritte dazu darstellen, Anionen zur Grundlage künftiger Quantencomputer zu machen.

Das Interferenzmuster “Pyjamastreifen” weist auf die Anwesenheit von Anionen in einem elektronischen System hin – Copyright © James Nakamura und Michael Manfra, nature.com

“Das sieht wirklich nach einer sehr großen Sache aus”, sagt Steve Simon, theoretischer Physiker an der Universität Oxford, Großbritannien. Die Ergebnisse, die noch nicht begutachtet wurden, wurden letzte Woche im arXiv Preprint Repository veröffentlicht.

Bekannte Quasiteilchen zeigen eine Reihe von exotischen Verhaltensweisen. Zum Beispiel haben magnetische Monopol-Quasiteilchen nur einen Magnetpol – im Gegensatz zu allen gewöhnlichen Magneten, die immer einen Nord- und einen Südpol haben. Ein weiteres Beispiel sind die Majorana-Quasiteilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind.

Anionen sind noch merkwürdiger. Alle Elementarteilchen fallen in eine von zwei möglichen Kategorien: Fermionen und Bosonen. Anionen sind keines von beiden. Die bestimmende Eigenschaft der Fermionen (zu denen auch Elektronen gehören) ist die Fermi-Statistik: Wenn zwei identische Fermionen ihre räumliche Position wechseln, wird ihre quantenmechanische Welle – die Wellenfunktion – um 180º gedreht. Wenn Bosonen ihre Plätze tauschen, ändert sich ihre Welle nicht. Das Vertauschen zweier Anionen sollte eine Drehung um einen Zwischenwinkel bewirken, ein Effekt, der als gebrochene Statistik bezeichnet wird und der nicht im 3D-Raum auftreten kann, sondern nur als kollektive Zustände von Elektronen, die sich nur in zwei Dimensionen bewegen können.

Bruchteilstatistik

Bruchrechnung ist die bestimmende Eigenschaft von Anyonen, und die jüngste Arbeit – geleitet von Michael Manfra, einem Experimentalphysiker an der Purdue University in West Lafayette, Indiana – ist das erste Mal, dass sie so schlüssig gemessen wurde.

Das ungewöhnliche Verhalten der Quasiteilchen bei einem Ortswechsel bedeutet, dass, wenn sich ein Quasiteilchen in einem vollen Kreis um ein anderes bewegt – was dem zweimaligen Positionswechsel der beiden Teilchen entspricht -, es eine Erinnerung an diese Bewegung in ihrem Quantenzustand behält. Diese Erinnerung ist eines der verräterischen Anzeichen der Bruchteilstatistik, nach der Experimentatoren gesucht haben.

Manfra und sein Team stellten eine Struktur her, die aus dünnen Schichten von Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid besteht. Dadurch können sich die Elektronen nur in zwei Dimensionen bewegen, während sie im Rest des Geräts vor elektrischen Streuladungen abgeschirmt sind. Die Forscher kühlten sie dann auf 10.000stel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab und fügten ein starkes Magnetfeld hinzu. Dies führte zu einem Materiezustand in dem Gerät, der als “fractional quantum hall” (FQH)-Isolator bezeichnet wird und die Besonderheit aufweist, dass im Inneren des 2D-Geräts kein elektrischer Strom fließen kann, sondern entlang der Kante. FQH-Isolatoren können Quasiteilchen beherbergen, deren elektrische Ladung nicht ein Vielfaches der Elektronenladung, sondern ein Drittel davon beträgt: Diese Quasiteilchen werden seit langem als Anyonen vermutet.

Um zu beweisen, dass sie tatsächlich Anionen sind, ätzte das Team das Gerät so, dass es Ströme von einer Elektrode zur anderen entlang zweier möglicher Randbahnen transportieren konnte. Sie optimierten die Bedingungen, indem sie das Magnetfeld variierten und ein elektrisches Feld hinzufügten. Man erwartete, dass diese Anpassungen Anionenzustände erzeugen oder zerstören würden, die im Inneren festsitzen, und dass sie auch Anionen erzeugen würden, die zwischen den Elektroden verlaufen. Da sich bewegende Anionen zwei mögliche Pfade hatten, die jeweils eine andere Verdrehung in ihren quantenmechanischen Wellen erzeugten, erzeugten ihre quantenmechanischen Wellen, wenn die Anionen den Endpunkt erreichten, ein Interferenzmuster, das Pyjamastreifen genannt wurde.

Dieses Muster zeigt, wie der relative Betrag der Drehung zwischen den beiden Pfaden als Reaktion auf Änderungen der Spannung und der Magnetfeldstärke variiert. Aber die Interferenz zeigte auch Sprünge, die der schlagende Beweis für das Erscheinen oder Verschwinden von Anyonen in der Masse des Materials waren.

“Soweit ich das beurteilen kann, ist es eine äußerst solide Beobachtung von Anionen, die ihre bestimmende Eigenschaft direkt beobachten: dass sie eine gebrochene Phase akkumulieren, wenn sich ein Anion um ein anderes bewegt”, sagt Simon.

Es ist nicht das erste Mal, dass Forscher über Beweise für fraktionierte Statistiken berichten. Robert Willett, Physiker in den Nokia Bell Labs in Murray Hill, New Jersey, sagt, sein Team habe “starke Beweise” für fraktionierte Statistiken im Jahr 2013 gesehen.

Und andere Teams haben eine andere Eigenschaft erforscht, die Anionen zu einem Zwischenglied zwischen Fermionen und Bosonen macht. Fermionen gehorchen dem Pauli-Ausschlussprinzip: Keine zwei Fermionen können genau denselben Quantenzustand einnehmen. Aber Bosonen haben keine solchen Einschränkungen. Anionen befinden sich in der Mitte – aber nicht so sehr wie Bosonen, wie ein im April in Science beschriebenes Experiment berichtete. “Es unterscheidet sich auffallend von dem fermionischen Verhalten, das wir in der gleichen Anordnung auch untersuchen können”, sagt Gwendal Fève, eine Experimentalwissenschaftlerin an der Sorbonne-Universität in Paris, die diese Bemühungen geleitet hat.

Quanten-Computing

Aber einige theoretische Physiker sagen, dass die Beweise in diesen und anderen Experimenten zwar auffallend, aber nicht schlüssig waren. “In vielen Fällen gibt es mehrere Möglichkeiten, ein Experiment zu erklären”, sagt Bernd Rosenow, ein Theoretiker für kondensierte Materie an der Universität Leipzig in Deutschland. Aber die von Manfra’s Team berichteten Beweise, wenn sie bestätigt werden, sind eindeutig, sagt Rosenow. “Mir ist keine Erklärung für dieses Experiment bekannt, die plausibel ist und keine gebrochene Statistik beinhaltet”, sagt Rosenow.

Die Ergebnisse legen möglicherweise den Grundstein für Anträge für jedermann. Simon und andere haben ausgefeilte Theorien entwickelt, die Anionen als Plattform für Quantencomputer verwenden. Paare des Quasiteilchens könnten in ihrem Gedächtnis Informationen darüber kodieren, wie sie umeinander gekreist sind. Und weil die Bruchteilstatistik “topologisch” ist – sie hängt davon ab, wie oft ein Anion ein anderes umkreist hat, und nicht von geringfügigen Änderungen seiner Bahn -, ist sie von winzigen Störungen unbeeinflusst. Diese Robustheit könnte topologische Quantencomputer leichter skalierbar machen als die derzeitigen Quantencomputertechnologien, die fehleranfällig sind. Microsoft (das Manfra als Berater beschäftigt) hat den Topologiepfad für Quantencomputer allein verfolgt, während andere große Unternehmen, darunter IBM, Intel, Google und Honeywell, in alternative Ansätze investiert haben.

Topologisches Quanten-Computing wird anspruchsvollere Leute erfordern, als Manfra und seine Kollegen demonstriert haben; sein Team ist nun dabei, sein Gerät so umzugestalten, dass es genau dies tun kann. Dennoch sind Anyon-Anwendungen noch in weiter Ferne, warnen Forscher. “Selbst mit diesem neuen Ergebnis ist es sehr schwer, [gebrochene Quanten-Hallon-]Anionen als einen starken Anwärter auf Quanten-Computing zu sehen”, sagt Simon.

Aber die einzigartige Physik der Quasiteilchen ist es wert, erforscht zu werden: “Für mich als Theoretiker der Kondensierten Materie sind sie mindestens so faszinierend und exotisch wie das Higgs-Teilchen”, sagt Rosenow.

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