Symbolbild (Bild: Pixabay)

Symbolbild (Bild: Pixabay)

Ein neues Quantenelement aus Graphen

Publiziert

ETH-​Forschern ist es erstmals gelungen, ein supraleitendes Bauteil aus Graphen zu bauen, das quantenkohärent und empfindlich gegenüber Magnetfeldern ist.

Es ist weniger als 20 Jahre her, seit es Konstantin Novoselov und Andre Geim erstmals gelang, zweidimensionale flächige Kristalle herzustellen, die nur aus einer Schicht Kohlenstoffatome bestehen. Seither hat das Graphen genannte Material eine bemerkenswerte Karriere gemacht. Es wird aufgrund seiner aussergewöhnlichen Festigkeit heute nicht nur verwendet, um Produkte wie Tennisschläger, Autopneus oder Flugzeugflügel zu verstärken. Graphen ist auch für die Grundlagenforschung ein anregendes Studienobjekt, entdecken doch Physikerinnen und Physiker immer wieder erstaunliche neue Phänomene, die sich so bei anderen Materialien nicht zeigen.

Der richtige Dreh
Besonders interessant sind für die Forschenden zweischichtige Graphenkristalle, bei denen die beiden Atomschichten leicht gegeneinander verdreht sind. So konnten Forscher aus der Gruppe von Klaus Ensslin und Thomas Ihn am Laboratorium für Festkörperphysik an der ETH Zürich vor rund einem Jahr zeigen, dass man mit verdrehtem Graphen sogenannte Josephson-Kontakte bauen kann, sozusagen die Grundbausteine von supraleitenden Bauelementen.

Basierend auf dieser Arbeit gelang es den Forschenden nun, aus verdrehtem Graphen das erste supraleitendes SQUID (SQUID, für engl. superconducting quantum interference device) herzustellen, mit dem die Interferenz supraleitender Quasi-Teilchen demonstriert wird. Herkömmliche SQUIDs werden in der Praxis bereits in verschiedenen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Medizin, in der Geologie oder Archäologie. Die empfindlichen Sensoren sind in der Lage, kleinste Änderungen in Magnetfeldern zu messen. Allerdings funktionieren SQUIDs nur mit supraleitenden Materialien, weshalb sie im Betrieb mit flüssigem Helium oder Stickstoff gekühlt werden müssen.

In der Quantentechnologie kommen SQUIDs als Quanten-Bits (Qubits) zum Einsatz, also als Elemente, mit denen Quantenoperationen durchgeführt werden können. «SQUIDs sind für die Supraleitung das, was Transistoren für die Halbleitertechnik sind: das grundlegende Bauelement, aus dem sich dann komplexere Schaltkreise bauen lassen», erklärt Ensslin.

Das Spektrum wird breiter
Die vom Doktoranden Elías Portolés hergestellten SQUIDs aus Graphen sind nicht sensitiver als herkömmliche SQUIDs aus Aluminium und müssen auch auf tiefe Temperaturen von weniger als 2 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. «In diesem Sinn ist das ist kein Durchbruch für die SQUID-Technologie an sich», hält Ensslin unmissverständlich fest. Das Einsatzspektrum von Graphen wird jedoch merklich erweitert. «Wir konnten bereits vor fünf Jahren zeigen, dass man mit Graphen sogenannte Einzel-Elektronen-Transistoren bauen kann. Nun kommt noch die Supraleitung hinzu», erklärt Ensslin.

Bemerkenswert ist, dass man das Verhalten des Graphen durch die angeschlossene Elektrode gezielt steuern kann. Je nachdem, welche Spannung man anlegt, ist das Material isolierend, leitend oder eben supraleitend. «Die ganze Vielfalt an Möglichkeiten der Festkörperphysik steht zur Verfügung», meint Ensslin.

Interessant ist zudem, dass man nun in einem einzigen Material die beiden grundlegenden Bauelemente eines Halbleiters (Transistor) und eines Supraleiters (SQUID) kombinieren kann. Dies erlaubt den Bau neuartiger Schaltoperationen. «Normalerweise würde man den Transistor aus Silizium fertigen und das SQUID aus Aluminium», erklärt Ensslin. «Das sind verschiedene Materialien, die unterschiedliche Verarbeitungstechnologien benötigen.»

Extrem anspruchsvolle Fertigung
Obwohl Supraleitung in Graphen vor nunmehr fünf Jahren von einer Gruppe am MIT entdeckt wurde, gibt es weltweit vielleicht gerade mal ein Dutzend experimentelle Gruppen, welche Supraleitung in Graphen beobachten. Noch weniger sind in der Lage, das supraleitende Graphen auch zu einem funktionsfähigen Bauteil zu verarbeiten.

Die Herausforderung besteht darin, dass die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen mehrere fragile Arbeitsschritte nacheinander ausführen müssen: Zuerst müssen sie die Graphenschichten im präzis richtigen Winkel zueinander justieren. Anschliessend folgen die weiteren Schritte wie beispielsweise Elektroden anschliessen oder Löcher ätzen. Würde man dazu das Graphen aufheizen, wie das sonst bei Reinraum-Technologien mehrfach der Fall ist, so würden sich die beiden Schichten sofort wieder parallel zueinander ausrichten. «Die ganze Standard-Halbleitertechnologie muss also angepasst werden», erklärt Portolés. «Das macht die Aufgabe extrem anspruchsvoll.»

Hybride Systeme als Vision
Ensslin denkt zudem bereits einen Schritt weiter: Zurzeit werden ganz unterschiedliche Technologien für Qubits untersucht, die alle ihre Vor- und Nachteile haben. Die meisten dieser Technologien werden von verschiedenen Forschungsgruppen innerhalb des Nationalen Forschungsschwerpunkts Quantum Science and Technology (QSIT) untersucht. Wenn es nun gelingt, mit Hilfe von Graphen zwei dieser Systeme miteinander zu koppeln, könnte man vielleicht auch deren Vorteile miteinander verbinden. «Man hätte dann zwei verschiedene Quantensysteme auf dem gleichen Kristall», erklärt Ensslin.

Neue Möglichkeiten ergeben sich auch für die Erforschung der Supraleitung. «Mit diesen Bauteilen werden wir vielleicht besser verstehen, wie Supraleitung in Graphen überhaupt zustande kommt», meint Ensslin. «Heute wissen wir einzig, dass es in diesem Material unterschiedliche Phasen der Supraleitung gibt. Doch wir haben noch kein theoretisches Modell, um diese zu erklären.»

Literatur
Portolés E Iwakiri S, Zheng G, Rickhaus P, Taniguchi T, Watanabe K, Ihn T, Ensslin K, de Vries FK: "A tunable monolithic SQUID in twisted bilayer graphene."; Nature Nanotechnology, 2022.

EVENTS

Pharmapack Paris

Europas führende Veranstaltung für Verpackung und Medikamentenlieferung.

Datum: 22.-23. Januar 2025

Ort: Paris (F)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 22.-23. Januar 2025

Ort: Zürich (CH)

LOGISTICS & AUTOMATION

Schweizer Fachmesse für Logistik und Transport

Datum: 22.-23. Januar 2025

Ort: Zürich (CH)

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 11.-14. Februar 2025

Ort: Nürnberg (D)

ZHAW-IFM Day

Der IFM-Day der ZHAW findet als Begegnungstag für FM-Ausbildung und FM-Praxis statt.

Datum: 07. März 2025

Ort: Wädenswil (CH)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 11.-13. März 2025

Ort: Stuttgart (D)

Global Industrie

Midest - smart Industries - Industrie - Tolexpo - die weltweit grössten Fachmessen für die Industriezulieferwirtschaft

Datum: 11.-14. März 2025

Ort: Lyon (F)

Additive Manufacturing Forum

Die Entscheider- und Expertenkonferenz bringt das gesamte Wertschöpfungssystem rund um die additive Fertigung zusammen.

Datum: 17.-18. März 2025

Ort: Berlin (D)

Hannover Messe

Transfoming Industry Togheter

Datum: 31. März.-04. April 2025

Ort: Hannover (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 06.-08. Mai 2025

Ort: Nürnberg (D)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 20.-22. Mai 2025

Ort: Hannover (D)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 03.-06. Juni 2025

Ort: Genf (CH)

CosmeticBusiness

Entdecken Sie innovative Verpackungslösungen für eine nachhaltige Zukunft der Kosmetikindustrie

Datum: 04.-05. Juni 2025

Ort: München (D)

The Pharma Days

Die Pharma Days (TPD) sind eine Veranstaltung unter Ausschluss der Öffentlichkeit, die Zusammenarbeit, Innovation und Geschäftswachstum vorantreiben soll.

Datum: 04.-05. Juni 2025

Ort: Genf (CH)

Automatica

Die Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 02.-04. September 2025

Ort: Bern (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 16.-18. September 2025

Ort: Basel (CH)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 23.-25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 23.-25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 17.-20. September 2025

Ort: Düsseldorf (D)

IN.STAND

Die Messe für Instandhaltung und Services

Datum: 21.-22. Oktober 2025

Ort: Stuttgart (D)

A + A

Messe und Kongress für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement.

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Die Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Swissbau

Führende Plattform der Bau- und Immobilienwirtschaft

Datum: 20.-23. Januar 2026

Ort: Basel (CH)

aqua pro

B2B-Plattform in der Schweiz für Fachkräfte des globalen Wasserkreislaufs

Datum: 04.-06. Februar 2026

Ort: Bulle (CH)

analytica

Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 24.-27. März 2026

Ort: München (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 21.-24. April 2026

Ort: Moutier (CH)

Techtextil

Internationale Leitmesse für technische Textilien und Vliesstoffe

Datum: 21.-24. April 2026

Ort: Frankfurt am Main (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 04.-08. Mai 2026

Ort: München (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 20.-21. Mai 2026

Ort: Zürich (CH)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 26.-27. August 2026

Ort: Zürich (CH)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 23.-24. September 2026

Ort: Lausanne (CH)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 23.-24. September 2026

Ort: Frankfurt am Main (D)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 06.-08. Oktober 2026

Ort: Stuttgart (D)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 10.-13. November 2026

Ort: München (D)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 14.-18. Juni 2027

Ort: Frankfurt am Main (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 09.-17. Mai 2028

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis