Quantenzustände in Josephson-Kontakt stützen Theorie zu Supraleitung

Physikerinnen und Physiker der Universität zu Köln haben an einer Struktur aus topologischem Isolator und Supraleiter Quantenzustände beobachtet, die sich so verhalten, wie es die Theorie für diese Materialkombination vorhersagt. Die Arbeit betrifft einen Ansatz, die Informationsspeicherung im Quantencomputer weniger fehleranfällig zu machen, das sogenannte topologische Quantenrechnen. Ein Beweis für die entscheidende Eigenschaft, einen topologischen Phasenübergang, steht allerdings noch aus. Erschienen ist die Studie im Fachjournal Science Advances unter dem Titel Tunneling spectroscopy of topological insulator Josephson junctions.

Der Hintergrund: Quantenbits sind störanfällig. Beim topologischen Ansatz sollen spezielle Quantenzustände zum Einsatz kommen, die gegen lokale Störungen widerstandsfähiger sein sollen, teilt die Universität mit. Gesucht werden dafür Majorana-Nullmoden, Quantenzustände, die für mögliche topologische Qubits untersucht werden. Sie zu erzeugen und zu steuern, bleibt experimentell schwierig.

Ein Kontakt auf der Oberfläche eines besonderen Materials

Topologische Isolatoren leiten Strom nicht im Inneren, sondern nur an ihrer Oberfläche. Wird ein solches Material mit einem gewöhnlichen Supraleiter kombiniert, soll an der Oberfläche eine besondere Form der Supraleitung entstehen, die topologische Supraleitung. Die theoretische Grundlage dafür lieferten Liang Fu und Charles Kane im Jahr 2008. Nach ihrem Vorschlag koppelt die Bewegungsrichtung der Elektronen an der Oberfläche fest an deren Spin (Spin-Impuls-Kopplung). In einem Josephson-Kontakt garantiert das Zustände, die ohne Verlust durch den Kontakt laufen und deren Energielücke sich bei einer bestimmten Phasendifferenz der Supraleiter schließt.

Das Team um Jakob Schluck, Ella Nikodem und Professor Yoichi Ando vom Topological Matter Laboratory Cologne untersuchte einen solchen Josephson-Kontakt. Er besteht aus zwei Supraleitern, die über einen nicht supraleitenden Bereich verbunden sind. Die Kölner Gruppe stellte ihn aus einer dünnen Aluminiumschicht auf einem abgelösten Plättchen des Materials BiSbTeSe2 her, einem Isolator im Inneren. Der Kontakt ist etwa 50 Nanometer lang und damit kürzer als die Kohärenzlänge der Oberflächenzustände. In einem solchen kurzen Kontakt kann sich nur ein einziger eindimensionaler Andreev-Zustand bilden.

Tunnelspektroskopie und Phasensteuerung

Die Forschenden maßen die Quantenzustände im Kontakt mit Tunnelspektroskopie. Dabei fließt Strom über eine dünne Barriere in die Probe, und aus der Leitfähigkeit lässt sich ablesen, welche Energiezustände dort besetzt werden können. Gleichzeitig variierten sie die Phasendifferenz zwischen den beiden Supraleitern. Dafür verbindet eine Aluminiumschleife beide Seiten des Kontakts. Über ein senkrecht angelegtes Magnetfeld lässt sich die Phasendifferenz einstellen.

Ohne Magnetfeld zeigten sich scharfe Spitzen in der Leitfähigkeit bei Spannungen von ±130 μeV. Die Energielücke des verwendeten Aluminiumfilms liegt dagegen bei 170 μeV. Das spricht dafür, dass die Zustandsdichte der Oberfläche des topologischen Isolators erfasst wird und nicht die der Aluminiumelektrode. Die Leitfähigkeit sinkt bei niedriger Spannung nicht auf null, es gibt also zusätzliche Zustände innerhalb der Lücke. Die Autoren führen das auf Kanäle mit langen Bahnen zurück, die nur schwach an die Supraleiter koppeln.

Hoch durchlässige Zustände über einen weiten Bereich

Das Team beobachtete Andreev-Zustände mit sehr hoher Durchlässigkeit. Solche Zustände entstehen, wenn Elektronen und Löcher an einem supraleitenden Kontakt wechselwirken. Sie traten über einen Bereich unterschiedlicher Ladungsträgerdichten auf, was zum vorhergesagten Verhalten von Elektronen an der Oberfläche des topologischen Isolators passt. Die Autoren beobachteten das Phänomen nach eigenen Angaben zudem in mehreren Bauteilen. Die Daten eines zweiten, im Wesentlichen identischen Bauteils sollen die Reproduzierbarkeit zeigen.

Beim Anlegen eines Magnetfelds fanden die Forschenden diese Zustände lokal in bestimmten Bereichen des Kontakts konzentriert, wie es die Theorie für sogenannte Josephson-Vortices vorhersagt. Nach der Theorie wird die lückenlose eindimensionale Mode an einem solchen Wirbel zu einem gebundenen Majorana-Nullmodus, die Messungen zeigen das aber nicht. Die Messergebnisse stimmen laut Mitteilung mit Rechnungen nach dem Modell von Fu und Kane überein, ebenso mit numerischen Simulationen der Gruppe von Professor Fabian Hassler an der RWTH Aachen.

„Understanding how superconductivity interacts with the distinctive electronic properties of topological insulators is essential for assessing their potential for topological quantum computing“, sagt Yoichi Ando. Ella Nikodem bezeichnet es als sehr aufregend, wie gut die experimentellen Ergebnisse zu den theoretischen Vorhersagen passen; das sei im Hinblick auf künftige Anwendungen im Quantencomputing sehr ermutigend.

Einordnung

Majorana-Nullmoden gelten als aussichtsreiche Kandidaten für topologisches Quantenrechnen, weil sie nicht-abelsche Austauschstatistik zeigen.

Zwei frühere Arbeiten nutzten laut der Studie dieselbe Messtechnik, um in Halbleiter-Josephson-Kontakten nach einem topologischen Phasenübergang zu suchen. Sie verwendeten dafür den Zeeman-Effekt eines Magnetfelds in der Ebene, um die Spin-Entartung aufzuheben. Bei dem Kölner Ansatz mit einem Isolator im Inneren benötigt der Phasenübergang kein großes Magnetfeld und lässt sich allein über die Phase einstellen.

Auch auf der Seite der Theorie gibt es Vorarbeiten. Eine Arbeit zu Josephson-Kontakten auf topologischen Isolatoren berichtete 2013, die Lage niederenergetischer Andreev-Zustände könne sich mit dem Dotierungsgrad ändern. Eine Übersichtsarbeit in Philosophical Transactions hielt 2018 fest, Andreev-Zustände bei null Energie seien an Grenzflächen zwischen Supraleitern und anderen Materialien häufig und zeigten sich als Spitzen bei null Spannung.

Spitzen bei null Spannung allein sind kein sicheres Zeichen. Die Autoren berichten von einem Bauteil, in dem eine solche Spitze eine andere Ursache hatte, nämlich einen Andreev-Quantenpunkt-Zustand. Er trat nur in einem sehr schmalen Bereich der Gatterspannung auf. Sie schließen daraus, dass man nicht nach einer Spitze bei null Spannung suchen sollte, sondern das Schließen der Lücke untersuchen muss.

Wie belastbar ist das?

• Es handelt sich um eine Laborstudie an Bauteilen aus Aluminium und dem Material BiSbTeSe2, nicht um eine Untersuchung an Menschen oder Tieren. Die ausführlich beschriebenen Daten stammen von einem Bauteil mit zwei Tunnelkontakten, ergänzt um ein zweites, im Wesentlichen identisches Bauteil.
• Die Arbeit ist in einer Fachzeitschrift erschienen und damit nach üblichem Verfahren begutachtet; sie ist kein Preprint.
• Die Energieauflösung des Aufbaus liegt nach Schätzung der Autoren bei etwa 30 μeV. Eine Lücke wäre deshalb erst ab einer Durchlässigkeit von 0,95 vom Fehlen einer Lücke zu unterscheiden.
• Die Autoren schreiben selbst, ihre Deutung als topologisch geschützte Zustände sei plausibel, aber nicht zwingend. Auch andere Szenarien könnten eine ähnliche Phänomenologie erzeugen, etwa Andreev-Quantenpunkt-Zustände oder diffuse Kanäle.
• Gefördert wurde die Arbeit unter anderem vom Europäischen Forschungsrat und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.
• Die Studie zeigt nicht, dass ein topologischer Phasenübergang stattfindet oder dass ein Majorana-Nullmodus vorliegt. Der Paritätswechsel muss durch künftige Experimente noch bestätigt werden.

Offene Fragen

Die zentrale offene Frage lautet, ob die beobachteten Zustände tatsächlich das vorhergesagte Schließen und Wiederöffnen einer Energielücke durchlaufen. Dafür müssen nach Angaben von Jakob Schluck Energie- und Zeitauflösung des Experiments verbessert werden. Das ist der nächste Schritt auf der Roadmap des Ando-Labors.

Die Autoren nennen zudem konkrete Bedingungen für künftige Experimente. Das chemische Potenzial darf demnach nicht zu nah am Dirac-Punkt liegen, damit Majorana-Zustände nicht delokalisieren. Ein Wert von etwa 25 meV begünstige in einem Magnetfeld von 100 mT gut geschützte Majorana-Nullmoden. Wegen der guten Steuerbarkeit der Josephson-Vortices halten sie das Ergebnis für vielversprechend im Hinblick auf Experimente zum Verflechten von Majorana-Zuständen.

Beide beteiligten Gruppen gehören zum Exzellenzcluster Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q).

Weitere Quellen

• Pressemitteilung „Experiment supports a promising route to more robust quantum computing“, Informationsdienst Wissenschaft (idw). Quelle, abgerufen am 02.11.2026
• Übersichtsarbeit: What can Andreev bound states tell us about superconductors?, Philosophical transactions. Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences (2018). Quelle, abgerufen am 02.11.2026
• Signature of a topological phase transition in the Josephson supercurrent through a topological insulator (arxiv.org). Quelle, abgerufen am 02.11.2026

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