Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben einen neuen Ansatz entwickelt, um Quantenzustände auf der Nanoskala gezielt zu kontrollieren. Mithilfe winziger ringförmiger Kohlenstoffstrukturen gelang es den Forschenden in Computersimulationen, sogenannte toroidale Momente verlustfrei zu erzeugen und zu steuern. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift npj Computational Materials veröffentlicht und könnten neue Möglichkeiten für die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer eröffnen.
Toroidale Momente gelten als eine dritte Klasse elektromagnetischer Dipole neben elektrischen und magnetischen Dipolen. Während elektrische und magnetische Felder weit verbreitet sind, erzeugen toroidale Momente nach außen praktisch keine elektrischen oder magnetischen Felder. Dadurch könnten sie sich besonders gut eignen, um empfindliche Quantensysteme gezielt zu beeinflussen, ohne ihre Umgebung zu stören.
Bislang war es jedoch kaum möglich, solche Zustände im Nanobereich kontrolliert zu erzeugen. Nach Angaben der MLU scheiterten klassische Konzepte daran, dass bei sehr kleinen Strukturen hohe Energieverluste auftreten.
Die Forschenden um Prof. Dr. Jamal Berakdar und Dr. Arkamita Bandyopadhyay zeigen nun anhand von Computersimulationen, dass dies mit sogenannten Kohlenstoff-Nanotori gelingt. Dabei handelt es sich um nur wenige Nanometer große ringförmige Strukturen aus Kohlenstoffatomen. Wird an diese ein konstantes elektrisches Feld angelegt, bewegen sich die Elektronen in einem dreidimensionalen Wirbel durch den Ring und erzeugen so ein stabiles toroidales Moment. Dieses lässt sich nach den Berechnungen nicht nur verlustfrei erzeugen, sondern auch gezielt antreiben, kontrollieren und umschalten.
Die Forschenden sehen darin vor allem Potenzial für das Quantencomputing. Bislang werden Quantensysteme häufig mit elektrischen oder magnetischen Feldern gesteuert, die sich auf der Nanoskala nur schwer exakt fokussieren lassen und oft auch benachbarte Bauteile beeinflussen. Dadurch entstehen Störungen und zusätzlicher Energieverbrauch.
Toroidale Momente könnten dieses Problem umgehen, da sie Quantenzustände direkt über deren quantenmechanische Phasen beeinflussen, ohne starke äußere Felder zu erzeugen. Das könnte künftig eine präzisere und energieeffizientere Steuerung von supraleitenden Quantensystemen ermöglichen.
Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse beruhen auf theoretischen Berechnungen und Computersimulationen. Ob sich die Methode auch experimentell in künftigen Quantenbauelementen umsetzen lässt, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.