Medienmitteilung der Universität Basel vom 22.09.2022

Materialien extrem abzukühlen ist wichtig für die physikalische Grundlagenforschung und technische Anwendungen. Basler Forschern ist es nun gelungen, einen elektrischen Schaltkreis auf einem Chip durch Verbesserung eines speziellen Kühlschranks und eines Niedrigtemperatur-Thermometers auf 220 Mikrokelvin zu kühlen – nahe dem absoluten Temperatur-Nullpunkt.

Kühlt man Materialien auf extrem niedrige Temperaturen ab, so verhalten sie sich oft ganz anders als bei Raumtemperatur. Ein bekanntes Beispiel ist die Supraleitung, bei der einige Metalle und andere Stoffe unterhalb einer kritischen Temperatur elektrischen Strom komplett verlustfrei leiten. Bei noch tieferen Temperaturen können dann weitere quantenphysikalische Effekte auftreten, die sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen in Quantentechnologien höchst interessant sind.

Solche Temperaturen – weniger als ein Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt von 0 Kelvin oder -273.15 Grad Celsius – zu erreichen, ist allerdings äusserst schwierig. Physiker aus der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Dominik Zumbühl an der Universität Basel haben nun gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des VTT Technical Research Centre in Finnland und der Lancaster University in England einen neuen Niedrig-Temperaturrekord aufgestellt. Ihre Ergebnisse haben sie soeben im Fachjournal Physical Review Research veröffentlicht.

Abkühlen mit Magnetfeldern

«Das Problem ist nicht nur, ein Material stark abzukühlen», erklärt Christian Scheller, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Zumbühls Labor, «sondern auch, die extrem tiefen Temperaturen dann verlässlich zu messen.» In ihren Experimenten kühlten die Forscher einen kleinen elektrischen Schaltkreis aus Kupfer auf einem Siliziumchip ab, indem sie ihn zuerst einem starken Magnetfeld aussetzten, dann mit einem als Kryostat bezeichneten speziellen Kühlschrank abkühlten und schliesslich das Magnetfeld langsam herunterfuhren. Dadurch wurden die Kernspins der im Chip enthaltenen Kupferatome anfangs wie kleine Magnete ausgerichtet und am Ende durch die vom Herunterfahren des Magnetfelds herbeigeführte Verringerung ihrer magnetischen Energie effektiv noch weiter abgekühlt.

«Mit solchen Methoden arbeiten wir zwar schon seit zehn Jahren», sagt Omid Sharifi Sedeh, der als Doktorand an dem Experiment beteiligt war, «doch bislang waren die tiefsten Temperaturen, die man so erreichen konnte, durch die Vibrationen des Kühlschranks begrenzt.» Diese Vibrationen, die durch das stetige Verdichten und Verdünnen des Kühlmittels Helium in einem so genannten «trockenen» Kryostaten entstehen, heizen den Chip merklich auf. Um das zu verhindern, entwickelten die Forscher eine neue Halterung, die so fest verdrahtet ist, dass sie den Chip trotz der Vibrationen auf niedrigste Temperaturen abkühlen können.

Robustes Thermometer

Um diese Temperaturen auch genau messen zu können, verbesserten Zumbühl und seine Mitarbeiter ein spezielles Thermometer, das in den Schaltkreis eingebettet ist. Das Thermometer besteht aus Kupfer-Inseln, die über sogenannte Tunnelkontakte verbunden sind. Durch diese Kontakte können Elektronen sich je nach Temperatur mehr oder weniger leicht bewegen. Die Physiker fanden nun eine Methode, um das Thermometer robuster gegen Materialfehler und zudem temperaturempfindlicher zu machen. Das erlaubte es ihnen schliesslich, eine Temperatur von nur 220 Millionstel Grad über dem Nullpunkt (220 Mikrokelvin) zu messen.

In Zukunft wollen die Basler Forscher mit ihrer Methode die Temperatur nochmals um einen Faktor zehn senken und langfristig auch Halbleiter-Materialien abkühlen. Damit ist dann der Weg frei für die Untersuchung neuer quantenphysikalischer Effekte, aber auch für verschiedene Anwendungen, wie etwa die Optimierung von Qubits in Quantencomputern.

Originalpublikation:
Mohammad Samani et al.
Microkelvin electronics on a pulse-tube cryostat with a gate Coulomb-blockade thermometer
Physical Review Research (2022), doi: 10.1103/PhysRevResearch.4.033225

Externer Link: www.unibas.ch

Presseaussendung der TU Wien vom 19.09.2022

Eine neues Designprinzip kann nun die Eigenschaften von bisher kaum erforschbaren Quantenmaterialien vorhersagen: So wurde erstmals mit dem Computer ein hochkorreliertes topologisches Halbmetall entdeckt.

Wie findet man neuartige Materialien mit ganz bestimmten Eigenschaften – zum Beispiel einem speziellen Zusammenspiel von Elektronen, wie man es für Quantencomputer benötigt? Meist ist das eine sehr komplizierte Aufgabe: Man produziert verschiedene Verbindungen, in denen potenziell erfolgversprechende Atome in bestimmten Kristallstrukturen angeordnet sind und untersucht das Material dann, etwa im Tieftemperaturlabor der TU Wien.

Nun gelang es durch eine Kooperation von Rice University (Texas), TU Wien und anderen internationalen Forschungsinstitutionen, geeignete Materialien am Computer aufzuspüren. Aus der unüberschaubar großen Anzahl von möglichen Materialien werden durch neue theoretische Methoden besonders vielversprechende Kandidaten identifiziert. Messungen an der TU Wien zeigten dann: Die gesuchten Materialeigenschaften sind tatsächlich messbar, die Methode funktioniert. Für die Forschung an Quantenmaterialien ist das ein wichtiger Schritt nach vorn. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Nature Physics“ publiziert.

Topologische Halbmetalle

Auf der Suche nach neuartigen Quantenmaterialien mit ganz besonderen Eigenschaften arbeiteten die Rice University in Texas und die TU Wien schon in vergangenen Jahren sehr erfolgreich zusammen: 2017 wurde von den beiden Forschungsgruppen erstmals ein sogenanntes „Weyl-Kondo Halbmetall“ präsentiert – ein Material, das unter anderem für die Forschung an Quantencomputer-Technologien eine wichtige Rolle spielen könnte.

„Die Elektronen in einem solchen Material kann man nicht einzeln beschreiben“, erklärt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Es kommt zu sehr starken Wechselwirkungen zwischen den Elektronen, sie überlagern sich nach den Gesetzen der Quantenphysik als Wellen, gleichzeitig stoßen sie einander durch ihre elektrische Ladung ab.“

Genau diese starke Wechselwirkung führt zu Anregungen der Elektronen, die man nur mit sehr aufwändigen mathematischen Methoden beschreiben kann. In den nun untersuchten Materialien spielt außerdem die Topologie eine wichtige Rolle – sie ist ein Teilgebiet der Mathematik, das sich mit geometrischen Eigenschaften befasst, die durch kontinuierliche Verformung nicht verändert werden, wie etwa die Zahl der Löcher in einem Doughnut, die auch dann gleichbleibt, wenn das Doughnut leicht gequetscht wird.

Auf ähnliche Weise können elektronische Zustände im Material stabil bleiben, auch wenn das Material leicht gestört wird. Genau deshalb sind diese Zustände für praktische Anwendungen wie Quantencomputer so nützlich.

Mit dem Computer mögliche Kandidaten identifizieren

Das Verhalten aller stark miteinander wechselwirkenden Elektronen im Material exakt zu berechnen ist unmöglich – kein Supercomputer der Welt ist dazu imstande. Doch auf Basis der bisherigen Erkenntnisse gelang es nun, ein Designprinzip zu entwickeln, das auf Basis vereinfachter Modellrechnungen zusammen mit mathematischen Symmetrieüberlegungen und einer Datenbank aus bekannten Materialien Vorschläge liefert, in welchem dieser Materialien die theoretisch erwarteten topologischen Eigenschaften vorliegen könnten.

„Drei solche Kandidaten hat diese Methode geliefert, eines dieser Materialien haben wir dann hergestellt und in unserem Labor bei tiefen Temperaturen vermessen“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Und tatsächlich deuten diese ersten Messungen darauf hin, dass es sich um ein hochkorreliertes topologisches Halbmetall handelt – das erste, das auf theoretischer Basis mit Hilfe eines Computers vorhergesagt wurde.“

Ein wichtiger Schlüssel zum Erfolg war, die Symmetrien des Systems auf kluge Weise auszunutzen: „Wir haben postuliert, dass stark korrelierte Anregungen immer noch gewissen Symmetrieanforderungen unterliegen. Deshalb kann ich viel über die Topologie eines Systems aussagen, ohne auf Ab-Initio-Berechnungen zurückgreifen zu müssen, die oft erforderlich sind, aber bei der Untersuchung stark korrelierter Materialien eine besondere Herausforderung darstellen“, sagt Qimiao Si von der Rice University. „Alles weist darauf hin, dass wir ein robustes Verfahren gefunden haben, um Materialien zu identifizieren, die die Eigenschaften aufweisen, die wir haben möchten.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
L. Chen et al., “Topological semimetal driven by strong correlations and crystalline symmetry”, Nature Physics 913, 191 (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01743-4

Externer Link: www.tuwien.at

Presseaussendung der TU Wien vom 22.08.2022

Wenn Ionen ein Material durchdringen, laufen hochkomplexe Prozesse ab – so schnell, dass man sie bisher kaum analysieren konnte. Aber durch ausgeklügelte Messungen gelang das nun.

Wie reagieren verschiedene Materialien auf den Einschlag von Ionen? Das ist eine Frage, die in vielen Forschungsbereichen eine wichtige Rolle spielt – etwa bei der Kernfusionsforschung, wenn die Wände des Fusionsreaktors von energiereichen Ionen bombardiert werden, aber auch in der Halbleitertechnik, wenn man Halbleiter mit Ionenstrahlen beschießt um winzige Strukturen herzustellen.

Das Resultat eines Ioneneinschlags auf einem Material ist nachträglich leicht zu untersuchen. Schwierig ist es aber, den zeitlichen Ablauf solcher Prozesse zu verstehen. An der TU Wien gelang es nun, auf einer Zeitskala von einer Femtosekunde zu analysieren, was mit den einzelnen beteiligten Teilchen passiert, wenn ein Ion Materialien wie Graphen oder Molybdändisulfid durchdringt. Entscheidend war dabei eine sorgfältige Analyse der Elektronen, die dabei emittiert werden. Aus ihnen kann man den zeitlichen Ablauf des Prozesses rekonstruieren – so wird die Messung gewissermaßen zur „Elektronen-Zeitlupenaufnahme“. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert und sogar als „Editors‘ Suggestion“ auserkoren.

Zwanzig- bis vierzigfach geladene Teilchen

In der Forschungsgruppe von Prof. Richard Wilhelm am Institut für Angewandte Physik der TU Wien arbeitet man mit hochgeladenen Ionen. Xenon-Atomen, die im neutralen Zustand 54 Elektronen haben, werden zwischen 20 und 40 Elektronen entrissen, die stark positiv geladenen Xenon-Ionen, die übrigbleiben, werden dann auf eine dünne Materialschicht geschossen.

„Besonders interessieren wir uns für die Wechselwirkung dieser Ionen mit dem Material Graphen, das nur aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen besteht“, sagt Anna Niggas, die Erstautorin des aktuellen Papers ist. „Wir wussten nämlich schon aus unseren früheren Experimenten, dass Graphen ganz besonders interessante Eigenschaften hat: Der Elektronentransport in Graphen ist extrem schnell.“

Die Teilchen reagieren so schnell, dass man die Vorgänge nicht direkt beobachten kann. Doch es gibt spezielle Tricks, die man anwenden kann: „Bei solchen Prozessen wird meist auch eine große Anzahl von Elektronen emittiert“, erklärt Anna Niggas. „Wir konnten die Anzahl und die Energie dieser Elektronen sehr genau messen, die Ergebnisse mit theoretischen Berechnungen vergleichen, die unsere Ko-Autoren von der Universität Kiel beisteuerten, und auf diese Weise konnten wir auf Femtosekunden-Skala entschlüsseln, was hier genau passiert.“

Femtosekunden-Reise durch das Graphen

Zunächst nähert sich das hochgeladene Ion der dünnen Materialschicht. Durch seine positive Ladung erzeugt es ein elektrisches Feld und beeinflusst dadurch die Elektronen des Materials – schon kurz vor dem Aufprall bewegen sich Elektronen des Materials in Richtung der Einschlagstelle. Irgendwann wird das elektrische Feld so stark, dass Elektronen aus dem Material herausgerissen und vom hochgeladenen Ion eingefangen werden. Unmittelbar darauf schlägt das Ion dann in der Oberfläche ein und durchdringt das Material. Dabei kommt es zu einer komplizierten Interaktion, das Ion überträgt in kurzer Zeit viel Energie auf das Material, dabei werden Elektronen fortgeschossen.

Wenn im Material Elektronen fehlen, bleibt dort positive Ladung zurück. Das wird allerdings rasch durch nachrückende Elektronen aus anderen Bereichen des Materials ausgeglichen. Bei Graphen ist dieser Prozess extrem schnell, innerhalb des Materials entstehen auf atomarer Skala kurzfristig starke Ströme. In Molybdändisulfid ist dieser Prozess etwas langsamer. In beiden Fällen beeinflusst die Verteilung der Elektronen im Material aber ihrerseits wieder die Elektronen, die schon zuvor aus dem Material herausgelöst wurden – und genau dadurch können sie dann, wenn man sie sorgfältig detektiert, Auskunft über die zeitliche Struktur des Einschlags liefern. Nur schnelle Elektronen können das Material verlassen, langsamere Elektronen kehren um, werden wieder eingefangen und landen nicht im Elektronendetektor.

Das Ion braucht nur rund eine Femtosekunde, um eine Graphen-Schicht zu durchdringen. Prozesse auf derart kurzen Zeitskalen konnte man bisher schon mit ultrakurzen Laserpulsen vermessen – doch die würden in diesem Fall viel Energie im Material deponieren und den Prozess völlig verändern.

„Wir haben mit unserer Methode einen Zugang gefunden, der ganz fundamentale neue Einblicke erlaubt“, sagt Richard Wilhelm, Leiter eines FWF START Projektes an der TU Wien. „Die Ergebnisse helfen uns zu verstehen, wie Materie auf sehr kurze und sehr intensive Strahlungseinwirkung reagiert – nicht nur auf Ionen, sondern letztlich auch auf Elektronen oder Licht.“

Die beschriebene Forschung wurde durch das „Innovative Projekte“ Programm und das Doktoratskolleg TU-D der TU Wien sowie den FWF gefördert. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
A. Niggas et al., Ion-induced surface charge dynamics in freestanding monolayers of graphene and MoS2 probed by the emission of electrons, PRL 129, 086802, 2022.

Externer Link: www.tuwien.at