Bemühungen zur Verwirklichung des Quantenphasengeräts
Supraleiter, Ferromagnetismus und Ladungsdichtewellen beschreiben jeweils Quantenzustände, mit denen die Funktionalität elektronischer Geräte verbessert werden könnte. Dazu müssen allerdings Transistoren zur Steuerung dieser Quantenzustände entwickelt werden. Solche speziellen Transistoren gibt es zwar schon seit einiger Zeit, doch da diese auf Elektrochemie beruhen, sind sie nur wenig effizient. Das ist auch der Grund, warum sich ihre Verwendung nie über die Demonstrationsphase hinaus entwickelt hat und sie im Laufe der Zeit immer mehr in Vergessenheit geraten sind. Nicht so jedoch für Jianting Ye, Forscher an der Universität Groningen in den Niederlanden. Denn für ihn könnten diese Entwürfe der Schlüssel zur Ermöglichung quantenfähiger Transistoren sein. Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts Ig-QPD (Ion-Gated Interfaces for Quantum Phase Devices) hat Ye diese Originalentwürfe „entstaubt“ und überarbeitet. „Dieses Projekt funktioniert gewissermaßen in umgekehrter Weise“, sagt er. „Wir haben den ursprünglichen auf Elektrochemie basierenden Transistor-Entwurf übernommen und durch Versuche mit dem sogenannten Ionen-Gating gezeigt, wie dieser in einen Supraleiter umgewandelt werden könnte.“ Damit hat das Projekt den Stand der Technologie weiterentwickelt, sodass Quantenphasen mittels Feldeffekt induziert und gesteuert werden können. Es ist sogar noch einen Schritt weiter gegangen und hat die gesteuerten Quantenphasen als elektronische Funktionen auf Elektrogeräte angewandt.
Steuerung des Quantenphasenübergangs
Hauptziel des Projekts Ig-QPD war es, den Quantenphasenübergang in elektronischen Geräten erfolgreich zu steuern. Zu diesem Zweck bauten die Forschenden Geräte mit ionengesteuerten Transistoren. „Dadurch wird ermöglicht, die Kapazität zu erreichen, die zur Induktion von Quantenphasen wie etwa Supraleitern erforderlich ist“, erklärt Ye. Wie Dr. Ye weiter erläutert, handelt es sich bei Supraleitern um ein Phänomen, bei dem sich eine Ladung ohne Widerstand durch ein Material bewegt. Auf diese Weise kann elektrische Energie mit perfekter Effizienz zwischen zwei Punkten übertragen werden, ohne dass dabei Wärme verloren geht. Außerdem erlaubt diese Methode den Forschenden, verschiedene Eigenschaften von Quantenphasen zu vermischen. „Mit einer magnetischen ionischen Flüssigkeit können wir beispielsweise den Ferromagnetismus steuern“, fügt Ye hinzu. Nach Angaben von Ye ist es dem Team gelungen, eine hocheffiziente, anpassbare Schnittstelle mit durch Ionenbewegung vermitteltem Gating zu entwickeln. Diese könnte als Plattform für neue elektronische Geräte dienen, die es dem Team ermöglichen, den Feldeffekt zur Steuerung von Quantenphasenübergängen zu nutzen. Darüber hinaus wurde im Rahmen des Projekts auch an einer breiten Palette von 2D-Materialien, einschließlich Übergangsmetall-Dichalkogeniden, gearbeitet. Hier entdeckten die Forschenden sogenannte Ising-Supraleiter in Molybdändisulfid (MoS2), die wohl den widerstandsfähigsten Zustand gegen ein angewandtes Magnetfeld darstellen.
Einen großen Eindruck hinterlassen
Obwohl die Projektarbeit noch im Gange ist, hinterlässt das Projekt in Wissenschaftskreisen bereits einen großen Eindruck. „Unsere Arbeit stellt ein spannendes neues Forschungsfeld dar, das die Aufmerksamkeit von Forschungsgruppen auf der ganzen Welt auf sich zieht“, merkt Ye an. „Dies zeigt sich in den vielen führenden wissenschaftlichen Fachzeitschriften, die unsere Erkenntnisse über die Realisierung des Quantenphasengeräts veröffentlicht haben.“ Zudem konnte das Projekt erfolgreich die Forschung von sechs Promovierenden und zwei Promovierten unterstützen. Zwei der Promovierenden haben inzwischen ihren Abschluss erworben und die beiden Promovierten haben eine wissenschaftliche Anstellung in einem verwandten Bereich gefunden. „Neben der bahnbrechenden Forschung von Ig-QPD hat dieses Projekt auch eine wichtige Rolle bei der Ausbildung und dem Werdegang dieser Nachwuchsforschenden gespielt, welche die Zukunft der Quantenphasengeräte repräsentieren“, ergänzt Ye.
Schlüsselbegriffe
Ig-QPD, Quantenphasengerät, Quantenphasenübergang, elektronische Geräte, Supraleiter, Quantenzustände, Transistoren, Elektrochemie, Feldeffekt