Der unkonventionelle Supraleiter CeRh2As2 – Star in der Quantenwelt
Wo Elena Hassinger forscht, herrscht Rekordkälte. So hat die Expertin für Tieftemperaturphysik des Exzellenzclusters ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter der Universitäten Würzburg und Dresden 2021 den unkonventionellen Supraleiter Cer-Rhodium-Arsen (CeRh2As2) entdeckt. Bislang ist es das einzige Quantenmaterial, das zwei bestimmte supraleitende Zustände aufweist – das Fachmagazin Science berichtete darüber. Üblich ist sonst nur eine supraleitende Phase, die unterhalb einer bestimmten Sprungtemperatur eintritt und in der die Elektronen gänzlich ohne Widerstand im Material transportiert werden.
Die verlustfreie Stromleitung in Supraleitern gehört seit Jahrzehnten zu den Top-Themen in der Festkörperphysik und ist zur großen Hoffnung für die Energietechnik geworden. „Die zweite supraleitende Phase entsteht, weil die sonst ganz symmetrische Kristallstruktur rund um das Cer-Atom asymmetrisch ist. Genau das macht die chemische Verbindung besonders und zu einem heißen Kandidaten für topologisches Quantencomputing“, beschreibt Hassinger das enorme Potenzial, welches in dem Material steckt. „Die gleiche unkonventionelle Struktureigenschaft möchte ich auch in anderen Quantenmaterialien suchen und nutzen, um topologische Supraleitung bei höheren Temperaturen zu finden.“
ERC Consolidator Grant – 2,7 Millionen vom Europäischen Forschungsrat
Für das Forschungsvorhaben „Exotische Quantenzustände bei lokal gebrochener Inversionssymmetrie in extremen Bedingungen – Ixtreme“ hat Hassinger jetzt 2,7 Millionen Euro vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) erhalten. Damit möchte sie in den nächsten fünf Jahren das Supraleitungs-„Wunder“ CeRh2As2 in ihren Dresdner Laboren noch genauer erforschen, nach verwandten Quantenmaterialien fahnden und dem topologischen Quantencomputing zum Durchbruch verhelfen: „Wenn ich bei meiner Cer-Rhodium-Arsen-Verbindung die theoretisch vorhergesagten topologischen Oberflächenzustände im Labor wirklich nachweise, könnten damit topologische Quantenbits (Qubits) realisiert werden. Das wäre ein Riesenschritt“, erklärt Hassinger.
Enormes Potenzial für topologisches Quantencomputing
Topologische Qubits gelten als besonders robust. Ihre Quantenzustände sind deutlich stabiler als die der sensiblen, nicht-topologischen Exemplare. Zu den größten Herausforderungen der aktuellen Forschung gehört die Suche nach einem Ansatz, der 1.000 Qubits gleichzeitig möglich macht. Nur so können Quantenprozessoren in Minutenschnelle Aufgaben lösen, für die konventionelle Supercomputer Jahre brauchen würden. Die Wissenschaftler:innen des Exzellenzclusters ct.qmat konzentrieren sich daher auf die Erforschung von topologischen Quantenmaterialien.
Spitzenforschung unter extremen Laborbedingungen
Die Abbildung zeigt das Supraleitungs-Wunder Cer-Rhodium-Arsen (CeRh2As2), das Elena Hassinger dank der Förderung vom Europäischen Forschungsrat in Höhe von 2,7 Millionen Euro in den nächsten fünf Jahren im Exzellenzcluster ct.qmat weiter erforschen kann.
Für die experimentelle Erforschung des unkonventionellen Supraleiters Cer-Rhodium-Arsen braucht Hassinger zunächst einen Kryostaten, der die Materialprobe auf unter 0,35 Kelvin (-272,8 Grad Celsius) kühlt. „Das Gerät kostet über eine Million Euro. Die Verhandlungen laufen schon“, verrät sie. Wenn die Probe kalt genug ist, soll sie enormem Druck und einem ultrastarken Magnetfeld bis zu 18 Tesla ausgesetzt werden. Zum Vergleich: Das Magnetfeld eines handelsüblichen Hufeisenmagneten beträgt 0,1 Tesla. „Die Magnetfeldmessung unter großem Druck kann mehrere Monate dauern. Sie muss aber täglich genau kontrolliert werden“, erläutert Hassinger das geplante experimentelle Setting. „Mein Ziel ist, die zweite supraleitende Phase von Cer-Rhodium-Arsen gründlich unter die Lupe zu nehmen, um schließlich erstmals nachzuweisen, dass das Material ein topologischer Supraleiter ist. Dann würde der Wunderwerkstoff nicht nur die Elektronen verlustfrei leiten, sondern hätte auch sehr robuste topologische Oberflächenzustände, die potentiell beim Quantencomputing für Rechenoperationen genutzt werden können.“
Ausblick
„Mit dem ERC Consolidator Grant fördert der Europäische Forschungsrat vielversprechende Spitzenforschung. Elena Hassinger ist eine erfahrene Physikerin, die ein außergewöhnliches Material entdeckt hat. Jetzt möchte sie dessen exotische Quantenzustände als Erste auch experimentell charakterisieren und verwandte Quantenzustände in ähnlichen Materialien auch bei höheren Temperaturen finden. Hier helfen die neuen Fördermittel! Wir freuen uns, dass sie Teil unserer ct.qmat-Forschungsfamilie ist“, betont Prof. Matthias Vojta, Dresdner Sprecher des Exzellenzclusters ct.qmat.
Seit Herbst 2022 hat Elena Hassinger die Professur für Tieftemperaturphysik komplexer Elektronensysteme des Exzellenzclusters ct.qmat inne, die an der TU Dresden angesiedelt ist. Zudem ist sie als Max Planck Fellow eng mit dem Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS) in Dresden verbunden. Zu den Meilensteinen ihrer wissenschaftlichen Karriere gehören die Leitung der unabhängigen Forschungsgruppe „Physik der unkonventionellen Metalle und Supraleiter“ am MPI CPfS seit 2014 sowie eine Tenure-Track-Professur von 2016 bis 2022 an der Technischen Universität München.
Exzellenzcluster ct.qmat
Das Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien) wird seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der TU Dresden getragen. Mehr als 300 Wissenschaftler:innen aus über 30 Ländern und von vier Kontinenten erforschen topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene offenbaren. Das Exzellenzcluster wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert – als einziges bundeslandübergreifendes Cluster in Deutschland.
Kontakt
Prof.in Elena Hassinger
TU Dresden, Professur für Tieftemperaturphysik komplexer Elektronensysteme
+49 351 463-33116
elena.hassinger@tu-dresden.de
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Weiterführende Links
👉 www.tu-dresden.de
Foto: Tobias Ritz
