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Seltener Quantenzustand enthüllt Teilchen mit einem Viertel der Elektronenladung
Bruchstückhafte Ladung: In einem seltenen Quanten-Hall-Zustand haben zwei unabhängige Experimente Quasiteilchen mit einer Ladung nahe einem Viertel der Elektronenladung gemessen. Der Wert e/4 passt zu Theorien über nichtabelsche Quantenzustände, beweist sie aber nicht. Genau diese offene Frage macht den Befund für die Suche nach robusteren Quantenbits interessant.
Lausanne (Schweiz). Ein einzelnes Elektron trägt eine feste Elementarladung. In stark korrelierten zweidimensionalen Elektronensystemen können sich jedoch kollektive Anregungen bilden, die sich wie Teilchen mit einem Bruchteil dieser Ladung verhalten.
Besonders rätselhaft sind fraktionale Quanten-Hall-Zustände mit geradem Nenner im Füllfaktor. Für einige dieser Zustände sagen Theorien nichtabelsche Anregungen voraus, bei denen der Quantenzustand beim Vertauschen von Teilchen auf besondere Weise verändert wird. Solche Eigenschaften könnten Informationen gegen lokale Störungen abschirmen und sind deshalb für topologisches Quantenrechnen interessant.
Forscher der Princeton University um Prof. Mansour Shayegan haben nun den Zustand bei Füllfaktor ν = 1/2 in einer 70 Nanometer breiten Galliumarsenid-Quantenschicht untersucht. In das Material ätzten sie einen Quantenpunktkontakt, eine enge Passage, an der ein Teil der Quasiteilchen zurückgestreut wird. Aus dem dabei entstehenden Schrotrauschen lässt sich die Ladung der übertragenen Quasiteilchen bestimmen.
Die Messung wurde an zwei nominell gleichen Bauelementen in zwei voneinander unabhängigen Versuchsaufbauten durchgeführt. Zuvor prüfte das Team die Methode an Zuständen mit bekannten Ladungen. Beim ν = 1/2-Zustand ergaben sich anschließend 0,250 ± 0,013 e und 0,249 ± 0,018 e. Beide Werte stimmen innerhalb der Messunsicherheit mit e/4 überein.
„Zum ersten Mal in der Geschichte dieses Forschungsfeldes haben zwei verschiedene Gruppen, Weizmann und EPFL, dieselben Werte für die fraktionale Ladung gemessen“, sagt Mitali Banerjee von der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).
Der Bruchwert ist ein wichtiger Prüfstein, aber kein Nachweis einer nichtabelschen Ordnung. Die Studie betont ausdrücklich, dass sowohl abelsche als auch nichtabelsche Kandidaten für den ν = 1/2-Zustand Anregungen mit der Ladung e/4 zulassen. Die Messung grenzt die möglichen Beschreibungen daher ein, entscheidet aber noch nicht zwischen ihnen.
Trotzdem ist der Zustand experimentell attraktiv. Seine Energielücke ist laut der Studie etwa zehnmal größer als die des viel untersuchten ν = 5/2-Zustands. In der offiziellen Mitteilung hebt Banerjee außerdem hervor, dass der Zustand bis zu einigen Kelvin bestehen bleibt.
„Das ist wichtig, weil der hier untersuchte Quanten-Hall-Zustand besonders ist, da er bis zu einigen Kelvin bestehen bleibt und vermutlich erst der zweite bekannte Zustand dieser Art in Galliumarsenid ist, der spezielle nichtabelsche Eigenschaften besitzt, die letztlich einen topologischen Quantencomputer ermöglichen können“, sagt Mitali Banerjee.
Für die entscheidende Frage muss nun nicht nur die Ladung, sondern die Austauschstatistik der Quasiteilchen geprüft werden. Die Autoren nennen dafür unter anderem thermischen Transport, zeitaufgelöste Braiding-Experimente und Interferenzmessungen. Erst solche Tests können zeigen, ob die Anregungen tatsächlich die nichtabelsche Ordnung besitzen, die für topologische Quantenbits besonders interessant wäre.