Studie über die Superleitung in t-PtBi2 und Verwandten Materialien

• Antragsteller: Dr. Andrii Kuibarov
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555830981

Die Abhängigkeit der Menschheit von rechnerischen Technologien hat in den letzten zwei Jahrzehnten erheblich zugenommen, sodass es schwer vorstellbar ist, unser tägliches Leben ohne sie zu führen. Von der einfachen Nutzung einer Website bis hin zu Supercomputern und modernsten KI-Technologien, all dies wird durch Halbleitertechnologien ermöglicht, die derzeit Mühe haben, den rechnerischen Anforderungen gerecht zu werden. Quantencomputing ist ein möglicher Ansatz, der dieses Problem nicht nur lösen, sondern auch unser rechnerisches Paradigma vollständig revolutionieren könnte. Der Aufbau fehlertoleranter Quantenbits ist eine der Hauptherausforderungen im Quantencomputing. Es wird vorhergesagt, dass Majorana-Fermionen – exotische Teilchen, die theoretisch vorhergesagt und seit Jahrzehnten in der Hochenergiephysik gesucht werden – der Schlüssel zur Lösung dieses Problems sein könnten. Das theoretische Rahmenwerk legt nahe, dass topologische Supraleiter in der Festkörperphysik die für das Quantencomputing benötigten Majorana-Fermionen beherbergen können. Im Allgemeinen gibt es zwei Ansätze zur Erreichung von Majorana-Fermionen. Der erste beinhaltet die Konstruktion von topologischen Supraleitern, wie Nanodrähte oder Heterostrukturen, bei denen Supraleitung durch den Proximity-Effekt induziert wird. Der zweite Ansatz basiert auf der Suche nach Materialien, die von Natur aus topologische Supraleiter sind. Die größte Herausforderung bei diesem Ansatz ist, dass intrinsische topologische Supraleiter extrem selten sind. Dieser Antrag konzentriert sich auf einen solchen Kandidaten: trigonal PtBi₂ (t-PtBi₂). Als Vorarbeit für diesen Antrag haben wir dieses Material untersucht und festgestellt, dass es sich um ein Weyl-Halbmetall handelt, das Anzeichen von oberflächenbezogener Supraleitung zeigt. Darüber hinaus haben unsere Untersuchungen gezeigt, dass supraleitende Zustände scheinbar nur auf den topologischen Oberflächenzuständen – Fermi-arcs – auftreten. Soweit uns bekannt ist, wurde dies in der Literatur bisher noch nicht berichtet, und genau das macht dieses Material so einzigartig und interessant. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, t-PtBi₂ und verwandte Materialien zu untersuchen, um festzustellen, ob PtBi₂ als topologischer Supraleiter angesehen werden kann oder einen praktischen Nutzen hat. Dafür werden wir Synchrotron- und Laser- winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) nutzen. Die Endziele können in kleinere Aufgaben unterteilt werden, die wir in diesem Antrag ansprechen wollen: 1. Wie ist die Symmetrie die Energielücke in PtBi₂? 2. Kann die Übergangstemperatur durch Modifizierung der Synthesetechnik erhöht werden? 3. Wie ist die Supraleitung in Verbindungen, die mit t-PtBi₂ verwandt sind, wie PtBi(Se)/Te/Ir? 4. Haben die verwandten Materialien topologische Oberflächenzustände, Fermi-arcs? Wenn ja, spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Bildung der Supraleitung?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen