Neues Instrument misst Superstromfluss, Daten finden Anwendung im Quantencomputing • Nachrichtendienst • Iowa State University

Gepostet am 2. Dezember 2022, 12:00 Uhr

Jigang Wang mit seinem kryogenen Magneto-Terahertz-Raster-Nahfeld-Lichtmikroskop. (Das ist die Abkürzung cm-SNOM.) Das Instrument arbeitet auf extremen Raum-, Zeit- und Energieskalen. Seine Leistung ist ein Schritt zur Optimierung der supraleitenden Quantenbits, die das Herzstück des Quantencomputings bilden werden. Größeres Foto. Fotos von Christopher Gannon/Iowa State University.

AMES, Iowa – Jigang Wang bot einen kurzen Rundgang durch eine neue Art von Mikroskop, das Forschern helfen kann, das Innenleben des Quantencomputings zu verstehen und letztendlich zu entwickeln.

Wang, Professor für Physik und Astronomie an der Iowa State University, der auch dem Ames National Laboratory des US-Energieministeriums angehört, beschrieb, wie das Instrument in extremen Raum-, Zeit- und Energieskalen funktioniert – Milliardstel Meter, Billiardstel Sekunden und Billionen elektromagnetischer Wellen pro Sekunde.

Wang wies auf die Steuerungssysteme hin und erklärte sie, die Laserquelle, das Spiegellabyrinth, das einen optischen Pfad für mit Billionen Zyklen pro Sekunde pulsierendes Licht bildet, den supraleitenden Magneten, der den Probenraum umgibt, das speziell angefertigte Rasterkraftmikroskop usw leuchtend gelber Kryostat, der die Probentemperatur auf die Temperatur von flüssigem Helium senkt, etwa -450 Grad Fahrenheit.

Ein Labyrinth aus Spiegeln schafft einen optischen Weg.

Wang nennt das Instrument ein kryogenes optisches Magneto-Terahertz-Raster-Nahfeldmikroskop. (Das ist die Abkürzung cm-SNOM.) Es befindet sich in der Sensitive Instrument Facility des Ames National Laboratory, nordwestlich des Campus des Staates Iowa.

Der Bau des Instruments dauerte fünf Jahre und kostete 2 Millionen US-Dollar – 1,3 Millionen US-Dollar von der WM Keck Foundation in Los Angeles (siehe unten) und 700.000 US-Dollar vom Iowa State und Ames National Laboratory. Es sammelt seit weniger als einem Jahr Daten und trägt zu Experimenten bei.

„Niemand hat es“, sagte Wang über das extrem große Nanoskop. „Es ist das erste auf der Welt.“

Es kann bis auf etwa 20 Nanometer oder 20 Milliardstel Meter fokussieren, während es unterhalb der Temperatur von flüssigem Helium und in starken Tesla-Magnetfeldern betrieben wird. Das ist klein genug, um etwas über die supraleitenden Eigenschaften von Materialien in diesen extremen Umgebungen zu erfahren.

Supraleiter sind Materialien, die Elektrizität – Elektronen – ohne Widerstand oder Wärme leiten, im Allgemeinen bei sehr niedrigen Temperaturen. Supraleitende Materialien haben viele Einsatzmöglichkeiten, darunter medizinische Anwendungen wie MRT-Scans und als magnetische Rennbahnen für die geladenen subatomaren Teilchen, die um Beschleuniger wie den Large Hadron Collider rasen.

Jetzt werden supraleitende Materialien für Quantencomputing in Betracht gezogen, die neue Generation von Rechenleistung, die auf der Mechanik und Energie auf atomarer und subatomarer Ebene der Quantenwelt basiert. Supraleitende Quantenbits, kurz Qubits, sind das Herzstück der neuen Technologie. Eine Strategie zur Steuerung von Superströmen in Qubits ist die Verwendung starker Lichtwellenimpulse.

„Die supraleitende Technologie ist ein wichtiger Schwerpunkt des Quantencomputings“, sagte Wang. „Wir müssen also die Supraleitung verstehen und charakterisieren und wie sie mit Licht gesteuert wird.“

Und genau das macht das cm-SNOM-Instrument. Wie in einem soeben von der Zeitschrift Nature Physics veröffentlichten Forschungsbericht und einem auf der arXiv-Website veröffentlichten Preprint-Artikel (siehe Seitenleisten) beschrieben, führen Wang und ein Forscherteam die ersten Ensemble-Durchschnittsmessungen des Suprastromflusses in eisenbasierten Supraleitern bei Terahertz durch (Billionen Wellen pro Sekunde) Energieskalen und die erste cm-SNOM-Aktion zur Erkennung von Terahertz-Superstrom-Tunneln in einem kupferbasierten Hochtemperatur-Cuprat-Supraleiter.

„Dies ist eine neue Möglichkeit, die Reaktion der Supraleitung auf Lichtwellenimpulse zu messen“, sagte Wang. „Wir nutzen unsere Werkzeuge, um einen neuen Blick auf diesen Quantenzustand im Nanometerbereich während Terahertz-Zyklen zu ermöglichen.“

Ilias Perakis, Professor und Lehrstuhlinhaber für Physik an der University of Alabama in Birmingham, ein Mitarbeiter dieses Projekts, der das theoretische Verständnis der lichtgesteuerten Supraleitung entwickelt hat, sagte: „Durch die Analyse der neuen experimentellen Datensätze können wir fortschrittliche Tomographiemethoden entwickeln.“ Beobachtung quantenverschränkter Zustände in lichtgesteuerten Supraleitern.

In der Arbeit der Forscher heißt es, dass „die Wechselwirkungen, die diese Superströme antreiben können, immer noch unzureichend verstanden werden, was teilweise auf fehlende Messungen zurückzuführen ist.“

Da diese Messungen nun auf Ensembleebene stattfinden, blickt Wang auf die nächsten Schritte zur Messung der Existenz von Superströmen mithilfe des cm-SNOM auf gleichzeitiger Nanometer- und Terahertz-Skala. Mit Unterstützung des Superconducting Quantum Materials and Systems Center unter Leitung des Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums in Illinois sucht seine Gruppe nach Möglichkeiten, das neue Instrument noch präziser zu machen. Könnten Messungen so präzise sein, dass sie das Tunneln von Supraströmen an einzelnen Josephson-Kontakten sichtbar machen, also die Bewegung von Elektronen über eine Barriere, die zwei Supraleiter trennt?

„Wir müssen wirklich bis zu diesem Niveau messen, um die Optimierung von Qubits für Quantencomputer zu beeinflussen“, sagte er. „Das ist ein großes Ziel. Und das ist jetzt nur ein kleiner Schritt in diese Richtung. Es ist ein Schritt nach dem anderen.“

---

Über die WM Keck Stiftung

Die WM Keck Foundation wurde 1954 in Los Angeles von William Myron Keck, dem Gründer der Superior Oil Company, gegründet. Als eine der größten philanthropischen Organisationen des Landes unterstützt die WM Keck Foundation herausragende wissenschaftliche, technische und medizinische Forschung. Die Stiftung unterstützt auch die Grundausbildung und unterhält in Südkalifornien ein Programm zur Unterstützung von Projekten in den Bereichen Kunst und Kultur, Bildung, Gesundheit und gemeinnützige Arbeit.

Jigang Wang, Physik und Astronomie, Ames National Laboratory, 515-294-5630, [email protected]

Mike Krapfl, Nachrichtendienst, 515-294-4917, [email protected]

@font-face {font-family:"Cambria Math"; panose-1:2 4 5 3 5 4 6 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:roman; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:3 0 0 0 1 0;}@font-face {font-family:Calibri; panose-1:2 15 5 2 2 2 4 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:swiss; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:-469750017 -1073732485 9 0 511 0;}p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-unhide:no; mso-style-qformat:yes; mso-style-parent:""; margin-top:0in; margin-right:0in; Rand unten: 8,0pt; margin-left:0in; Zeilenhöhe: 107 %; mso-pagination:widow-orphan; Schriftgröße: 11,0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}a:link, span.MsoHyperlink {mso-style-priority:99; Farbe:#0563C1; mso-themecolor:hyperlink; Textdekoration:unterstrichen; text-underline:single;}a:visited, span.MsoHyperlinkFollowed {mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; Farbe:#954F72; mso-themecolor:followedhyperlink; Textdekoration:unterstrichen; text-underline:single;}.MsoChpDefault {mso-style-type:export-only; mso-default-props:yes; Schriftgröße: 11,0pt; mso-ansi-font-size:11.0pt; mso-bidi-font-size:11.0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoPapDefault {mso-style-type:export-only; Rand unten: 8,0pt; line-height:107%;}div.WordSection1 {page:WordSection1;}

Jigang Wangs Nanoskop im extremen Maßstab beginnt damit, Daten darüber zu sammeln, wie Lichtimpulse mit Billionen Zyklen pro Sekunde Supraströme in Materialien steuern können. Das Instrument könnte eines Tages dazu beitragen, supraleitende Quantenbits zu optimieren, die das Herzstück des Quantencomputings, einer neuen und sich entwickelnden Technologie, bilden.

@font-face {font-family:"Cambria Math"; panose-1:2 4 5 3 5 4 6 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:roman; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:3 0 0 0 1 0;}@font-face {font-family:Calibri; panose-1:2 15 5 2 2 2 4 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:swiss; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:-469750017 -1073732485 9 0 511 0;}p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-unhide:no; mso-style-qformat:yes; mso-style-parent:""; margin-top:0in; margin-right:0in; Rand unten: 8,0pt; margin-left:0in; Zeilenhöhe: 107 %; mso-pagination:widow-orphan; Schriftgröße: 11,0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoChpDefault {mso-style-type:export-only; mso-default-props:yes; Schriftgröße: 11,0pt; mso-ansi-font-size:11.0pt; mso-bidi-font-size:11.0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoPapDefault {mso-style-type:export-only; Rand unten: 8,0pt; line-height:107%;}div.WordSection1 {page:WordSection „Niemand hat es. Es ist das erste auf der Welt.“

Jigang Wang, Physik und Astronomie, Ames National Laboratory des US-Energieministeriums @font-face {font-family:"Cambria Math"; panose-1:2 4 5 3 5 4 6 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:roman; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:3 0 0 0 1 0;}@font-face {font-family:Calibri; panose-1:2 15 5 2 2 2 4 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:swiss; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:-469750017 -1073732485 9 0 511 0;}p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-unhide:no; mso-style-qformat:yes; mso-style-parent:""; margin-top:0in; margin-right:0in; Rand unten: 8,0pt; margin-left:0in; Zeilenhöhe: 107 %; mso-pagination:widow-orphan; Schriftgröße: 11,0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoChpDefault {mso-style-type:export-only; mso-default-props:yes; Schriftgröße: 11,0pt; mso-ansi-font-size:11.0pt; mso-bidi-font-size:11.0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoPapDefault {mso-style-type:export-only; Rand unten: 8,0pt; line-height:107%;}div.WordSection1 {page:WordSection1;} @font-face {font-family:"Cambria Math"; panose-1:2 4 5 3 5 4 6 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:roman; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:3 0 0 0 1 0;}@font-face {font-family:Calibri; panose-1:2 15 5 2 2 2 4 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:swiss; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:-469750017 -1073732485 9 0 511 0;}p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-unhide:no; mso-style-qformat:yes; mso-style-parent:""; margin-top:0in; margin-right:0in; Rand unten: 8,0pt; margin-left:0in; Zeilenhöhe: 107 %; mso-pagination:widow-orphan; Schriftgröße: 11,0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoChpDefault {mso-style-type:export-only; mso-default-props:yes; Schriftgröße: 11,0pt; mso-ansi-font-size:11.0pt; mso-bidi-font-size:11.0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoPapDefault {mso-style-type:export-only; Rand unten: 8,0pt; line-height:107%;}div.WordSection1 {page:WordSection1;}

@font-face {font-family:"Cambria Math"; panose-1:2 4 5 3 5 4 6 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:roman; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:3 0 0 0 1 0;}@font-face {font-family:Calibri; panose-1:2 15 5 2 2 2 4 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:swiss; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:-469750017 -1073732485 9 0 511 0;}p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-unhide:no; mso-style-qformat:yes; mso-style-parent:""; margin-top:0in; margin-right:0in; Rand unten: 8,0pt; margin-left:0in; Zeilenhöhe: 107 %; mso-pagination:widow-orphan; Schriftgröße: 11,0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoChpDefault {mso-style-type:export-only; mso-default-props:yes; Schriftgröße: 11,0pt; mso-ansi-font-size:11.0pt; mso-bidi-font-size:11.0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoPapDefault {mso-style-type:export-only; Rand unten: 8,0pt; line-height:107%;}div.WordSection1 {page:WordSection1;}

„Quantum Coherence Tomography of Light-Controlled Supraconductivity“, Nature Physics, 5. Dezember 2022

„Cryogenic Magneto-Terahertz Scanning Near-field Optical Microscope (cm-SNOM)“, arXiv, 13. Oktober 2022

@font-face {font-family:"Cambria Math"; panose-1:2 4 5 3 5 4 6 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:roman; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:3 0 0 0 1 0;}@font-face {font-family:Calibri; panose-1:2 15 5 2 2 2 4 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:swiss; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:-469750017 -1073732485 9 0 511 0;}p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-unhide:no; mso-style-qformat:yes; mso-style-parent:""; margin-top:0in; margin-right:0in; Rand unten: 8,0pt; margin-left:0in; Zeilenhöhe: 107 %; mso-pagination:widow-orphan; Schriftgröße: 11,0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoChpDefault {mso-style-type:export-only; mso-default-props:yes; Schriftgröße: 11,0pt; mso-ansi-font-size:11.0pt; mso-bidi-font-size:11.0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoPapDefault {mso-style-type:export-only; Rand unten: 8,0pt; line-height:107%;}div.WordSection1 {page:WordSection1;}

Korrespondierender Autor:Jigang Wang, Iowa State University und Ames National Laboratory

Erstautoren:Liang Luo, Iowa State und Ames National Laboratory;Martin Moots, vom Iowa State und Ames National Laboratory, früher an der University of Alabama in Birmingham;Jong-Hoon Kang, früher an der University of Wisconsin-Madison, jetzt an der Pohang University of Science and Technology in Südkorea

Co-Autoren:Chuankun Huang, Iowa State und Ames National Laboratory;Chirag Vaswani, früher vom Iowa State und Ames National Laboratory, jetzt an der Cornell University in New York;Ki-Tae Eom, Wisconsin;Jung-Woo Lee, Wisconsin;Yesusa Collantes ; Florida State University;Eric Hellstrom, Bundesstaat Florida;Ilias Perakis , Alabama in Birmingham; UndChang-beom Eom, Wisconsin

@font-face {font-family:"Cambria Math"; panose-1:2 4 5 3 5 4 6 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:roman; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:3 0 0 0 1 0;}@font-face {font-family:Calibri; panose-1:2 15 5 2 2 2 4 3 2 4; mso-font-charset:0; mso-generic-font-family:swiss; mso-font-pitch:variable; mso-font-signature:-469750017 -1073732485 9 0 511 0;}p.MsoNormal, li.MsoNormal, div.MsoNormal {mso-style-unhide:no; mso-style-qformat:yes; mso-style-parent:""; margin-top:0in; margin-right:0in; Rand unten: 8,0pt; margin-left:0in; Zeilenhöhe: 107 %; mso-pagination:widow-orphan; Schriftgröße: 11,0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoChpDefault {mso-style-type:export-only; mso-default-props:yes; Schriftgröße: 11,0pt; mso-ansi-font-size:11.0pt; mso-bidi-font-size:11.0pt; Schriftfamilie: „Calibri“, serifenlos; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-fareast-font-family:Calibri; mso-fareast-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin; mso-bidi-font-family: „Times New Roman“; mso-bidi-theme-font:minor-bidi;}.MsoPapDefault {mso-style-type:export-only; Rand unten: 8,0pt; line-height:107%;}div.WordSection1 {page:WordSection1;}

Jigang Wang, links, mit seinem Team, Richard HJ Kim, Samuel Haeuser und Joong-Mok Park, in ihrem Labor in der Sensitive Instrument Facility des Ames National Laboratory. Größeres Foto.

cm-SNOM-Betrieb:Richard HJ Kim,Joong-Mok-Park,Samuel J. Häuser,Liang LuoUndJigang Wang, Iowa State und Ames National Laboratory