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Sep 01, 2023

Neue Form von Silizium zielt auf Quantencomputing ab

Einige der vielversprechendsten Quantencomputer verwendeten bisher exotische Materialien und Systeme – darunter supraleitende Materialien, die auf nahezu den absoluten Nullpunkt gekühlt wurden, sowie darin gehaltene schwebende Ionen und Atome

Einige der vielversprechendsten Quantencomputer verwendeten bisher exotische Materialien und Systeme – darunter supraleitende Materialien, die auf nahezu den absoluten Nullpunkt gekühlt wurden, sowie schwebende Ionen und Atome, die in elektrischen Feldern und Laserfallen gehalten wurden. Doch das bekannte alte Silizium wäre deutlich skalierbarer und praktischer, wenn es nur zuverlässige Möglichkeiten gäbe, Qubits und Quantenschaltkreise genauso einfach zu bauen wie herkömmliche Transistoren und Logikgatter.

Eine neue Form von Silizium namens Q-Silizium könnte genau das Richtige sein, sagen die Entwickler. Forscher der North Carolina State University, die in der Zeitschrift Materials Research Letters über das Material berichteten, sagen, dass es Eigenschaften aufweist, die nicht nur für Quantencomputer, sondern auch für Lithium-Ionen-Batterien geeignet sind.

„Um Mutter Natur zu täuschen, muss man thermodynamische Einschränkungen überwinden, also muss man das sehr, sehr schnell tun.“ –Jay Narayan, North Carolina State University

Silizium kommt normalerweise in drei Formen vor: kristallin, wobei die Atome eine wohlgeordnete Struktur haben; amorph, wobei die Atome zufällig angeordnet sind; und polykristallin, wobei kleinere kristalline Einheiten zufällig verbunden sind. Beim kristallinen Typ sind Siliziumatome genau wie Kohlenstoffatome im Diamant gepackt, wobei vier Atome die Ecken einer Pyramide bilden.

Q-Silizium weist eine zufällige Anordnung dieser diamantähnlichen Pyramiden auf, was zu dichter gepackten Atomen und weniger freiem Raum führt. Jay Narayan, Professor für Materialwissenschaften und -technik an der NCSU, und seine Kollegen schufen Q-Silizium, indem sie amorphes Silizium mit nanosekundenlangen Impulsen eines Hochleistungslasers bestrahlten und es dann in einer Fünftel Mikrosekunde abkühlten.

Das ist schnell genug, dass die konventionelle Thermodynamik nicht dazu übergeht, die Atome wieder in eine der drei natürlich vorkommenden Formen von Silizium umzuordnen. „Um Mutter Natur zu täuschen, muss man thermodynamische Zwänge überwinden, also muss man das sehr, sehr schnell tun“, sagt Narayan.

Die Forscher zeigen, dass Q-Silizium Eigenschaften aufweist, die bei normalem Silizium nicht zu finden sind. Zum einen ist es bei Raumtemperatur ferromagnetisch. Ferromagnetismus, die Eigenschaft, durch die Materialien magnetisiert werden, wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, und diesen magnetisierten Zustand anschließend beibehalten. Ferromagnetismus kommt normalerweise in Metallen wie Eisen und Nickel vor und entsteht durch die Masseneigenschaften der Atome in einem Festkörper. Ihre magnetischen Dipole können durch äußere Felder ausgerichtet werden und behalten dann ihre Position, wenn diese Felder verschwinden. Wenn jedoch einzelne Elektronen in diesen Materialien isoliert werden können, könnten die Spins dieser Elektronen – die selbst nach oben oder nach unten gerichtet sein können oder Quantenkombinationen aus beiden dazwischen liegen – auch als Qubit verwendet werden, als Mittel zur Kodierung von Quanteninformationen.

Die gerade Zahl der Elektronen in Kohlenstoff und Silizium bedeutet typischerweise, dass ihre Ladungen alle paarweise mit entgegengesetzten Spins vorliegen, die sich gegenseitig in ihren Magnetfeldern aufheben. Die Beibehaltung und Manipulation einzelner Elektronenspins in Silizium war für Ingenieure und Materialwissenschaftler daher normalerweise keine Option. Ferromagnetismus erfordert einzelne Elektronen oder ungepaarte Spins, sagt Narayan. Allerdings „sind wir durch das schnelle Schmelzen und Abkühlen in der Lage, ungepaarte Spins zu erzeugen, die ferromagnetisch sind“, sagt er. „Die Idee ist, dass man Informationen in diesem Spin speichern kann, wenn Silizium einen ungepaarten Spin haben kann.“

Die Nutzung des Spins stellt eine Herausforderung dar, und Menschen haben versucht, die Spinzustände von in Silizium implantierten Phosphoratomen als Weg zu Quantencomputern zu interpretieren. Narayan sagt, dass Q-Silizium es einfacher machen könnte, den Spin in Siliziumatomen zu nutzen. „Man kann jetzt Quantencomputer und alle möglichen anderen interessanten Anwendungen entwickeln“, sagt er, „weil Q-Silizium bei Raumtemperatur ferromagnetisch ist.“

Darüber hinaus berichten die Forscher, dass Q-Silizium bei Dotierung mit Boratomen supraleitend wird. Bekannte Supraleiter entfalten ihre supraleitenden Kräfte typischerweise nur bei sehr niedrigen Temperaturen, daher die Skepsis gegenüber allen Berichten über Raumtemperatur-Supraleiter.

Die bisher bekannten Höchsttemperatur-Supraleiter bei Umgebungsdruck werden unterhalb von 130 Kelvin supraleitend. Narayan und seine Kollegen sagen, dass das mit Bor dotierte Q-Silizium bei 174 K in den supraleitenden Zustand übergeht.

Die Forscher planen, in naher Zukunft Q-Silizium-basierte Quantencomputer zu demonstrieren, sagt Narayan. Sie wollen aber auch das Potenzial des Materials für Batterieanwendungen erschließen. „Wir werden leistungsstarke und hocheffiziente Lithium- und Natrium-Ionen-Batterien entwickeln“, sagt er.

Um Q-Silizium für Batterien zu verwenden, wollen sie laut Narayan Q-Silizium mit einem anderen verwandten Material namens Q-Kohlenstoff kombinieren, das sie 2015 entdeckt haben. Beide Materialien nehmen den Forschern zufolge mehr Lithiumionen auf als das auf Graphit basierende Anoden, die in heutigen Batterien verwendet werden. Graphit habe eine Stromspeicherkapazität von 200 Milliampere pro Gramm, sagt er. Im Gegensatz dazu habe Q-Carbon eine Kapazität von 500 mA/g. Mittlerweile, sagt er, rühmt sich Q-Silizium mit 1.000 mA/g. „Kombiniert man sie miteinander, ergeben sie die beste Anode für Lithium-Ionen-Batterien“, behauptet er.

Die Forscher haben sich mit dem deutschen Unternehmen Koening Systems zusammengetan, um ein Startup namens Q-Power Batteries zu gründen.