Supraleitendes Metamaterial für analoge Quantensimulation – Vera Weibel untersucht künstliches Material mit besonderen Eigenschaften

Vera Weibel hat ihre preisgekrönte Masterarbeit an der EPFL bei Professor Dr. Pasquale Scarlino geschrieben. Sie hat ein supraleitendes Metamaterial untersucht – also einen künstlichen Werkstoff, der Eigenschaften aufweist, die so in der Natur nicht vorkommen. So ein Material könnte eingesetzt werden, um Verluste in Quantensystemen zu vermeiden.

Vera Weibel bekommt 2022 einen der beiden Preise für die beste Masterarbeit in Nanowissenschaften an der Universität Basel verliehen. Sie hat in dieser Arbeit ein supraleitendes Metamaterial untersucht. (Bild: C. Möller, SNI)

Forschende weltweit sind auf der Suche nach künstlichen Materialien, die mit optischen, elektronischen oder magnetischen Eigenschaften ausgestattet sind, die es in der Natur so nicht gibt. Diese sogenannten Metamaterialien bestehen aus periodisch angeordneten Elementen mit einer Mikro- oder Nanostruktur. Die Grösse dieser Strukturen muss dabei kleiner sein als die Wellenlänge des Phänomens, das beobachtet werden soll. Die Werkstoffe werden meist zunächst am Computer entworfen und ihre Eigenschaften berechnet, bevor sie dann hergestellt und untersucht werden.

Material mit winziger periodischer Struktur
Vera Weibel hat in ihrer Masterarbeit solch ein Metamaterial mit supraleitenden Eigenschaften aus Niobiumnitrid entwickelt. Sie hat dazu das Ausgangsmaterial Niobiumnitrid periodisch strukturiert – mit einzelnen Strukturelementen von etwa 50 Mikrometern. Diese Strukturelemente fungieren als Resonatoren – also als System, das nach einer Anregung in einem bestimmten Wellenbereich schwingt. Aufgrund der gewählten Strukturgrösse schwingt diese Resonatorenkette im Mikrowellenbereich und kann somit Mikrowellen-Photonen speichern. Durch den Abstand der Resonatoren zum jeweiligen Nachbar lässt sich deren Kopplung zueinander wählen – je näher sie zusammen sind, desto besser sind sie gekoppelt und umgekehrt. Im von Vera untersuchten Metamaterial hatten die Resonatoren alternierende Abstände. Die Photonenzustände im Metamaterial können so mit einem bestimmten Modell (Su-Schrieffer-Heeger-Modell) beschrieben werden, das ursprünglich für Polyacetylen entwickelt wurde.

«Verwenden lässt sich der Werkstoff in Zukunft vermutlich für die sogenannte analoge Quantensimulation – einem Teilgebiet des Quantencomputing», antwortet Vera auf die Frage, wozu so ein Metamaterial eingesetzt werden könnte. «Die Idee dabei ist es, das Quantensystem mit Komponenten «nachzubauen», die den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen und ein spezifisches Quantenproblem simulieren können. Das von mir untersuchte Metamaterial könnte an ein Qubit gekoppelt werden, um dann Verlustmechanismen in Quantensystemen zu studieren», ergänzt sie.

Design, Simulation und Untersuchung
Vera hat die Struktur zunächst am Computer entworfen und anhand von Simulationen die Eigenschaften theoretisch berechnet. Anschliessend haben Mitarbeitende in ihrer Arbeitsgruppe an der EPFL die Struktur hergestellt. Vera konnte dann anhand praktischer Experimente bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts überprüfen, wie zuverlässig die berechneten Simulationen waren. «Wir waren freudig überrascht, wie gut die Simulationen mit den tatsächlichen Ergebnissen übereinstimmten», fasst sie diesen Teil ihrer Arbeit zusammen.
Für Vera hat sich diese Masterarbeit an der EPFL durch einen Kontakt ihres Projektarbeit-Betreuers Jann Hinnerk Ungerer aus dem Schönenberger-Team am Departement Physik ergeben. «Das Thema war sehr interessant und bot mir zudem die Gelegenheit, eine andere Forschungseinrichtung ausserhalb der Universität Basel kennen zu lernen», berichtet Vera.

Sie hatte eine tolle Zeit in Lausanne, frischte ihr Französisch auf und lernte viel. Daneben erlebte sie die Vor- und Nachteile einer deutlich grösseren Institution. «So war zum Beispiel der Reinraum an der EPFL besser als der in Basel. Auf der anderen Seite hatte ich durch die Grösse der Einrichtung deutlich weniger Kontakt zu anderen Forschungsgruppen», berichtet sie. Das ist in Basel und gerade unter den Nanostudierenden ganz anders! Sie sind eine kleine Gruppe Studierender, die sehr gut untereinander vernetzt ist und in regelmässigem Austausch steht.

«Was mich bei dieser Arbeit besonders beeindruckt hat, ist die erstaunliche Übereinstimmung zwischen den theoretischen Vorhersage und
dem Experiment.»

Professor Dr. Christian Schönenberger, Departement Physik, Universität Basel

Anders als gedacht
Zu Beginn ihres Nanostudiums hätte Vera nicht gedacht, dass sie einmal ihre Masterarbeit in Experimentalphysik absolvieren würde. Denn ursprünglich war sie im Jahr 2015 an die Universität Basel zum Bachelor-Infotag gekommen, da sie sich für ein Biologiestudium interessierte.

«Ich habe damals dann zum ersten Mal vom Nanostudium gehört und das Konzept hat mich gleich überzeugt», erinnert sie sich. «Ich fand es gut, dass wir im Nanostudium erst einen Einblick in alle Naturwissenschaften bekamen und erst später entscheiden mussten, womit wir uns intensiver beschäftigen wollen.»

Bei Vera hat es nach Beginn des Studiums noch eine Weile gedauert, bis sie ihre Leidenschaft für Experimentalphysik entwickelte. «In den Blockkursen im Bachelorstudium habe ich vor allem Kurse mit Bio- und Informatikthemen gewählt. Aber dann im Laufe des Masterstudium habe ich gemerkt, dass mich vor allem die Experimentalphysik begeistert und mich nach und nach darauf fokussiert.»

Sie bereut aber auf keinen Fall viel Erfahrung in thematisch anderen Bereichen gewonnen zu haben und würde ihre wissenschaftliche Laufbahn jederzeit wieder mit dem Nanostudium in Basel beginnen. «Ich habe durch die Interdisziplinarität im Studium wirklich gelernt vernetzt zu denken und mich schnell in neue Themen einzuarbeiten», sagt sie.

Vera hat das supraleitende Metamaterial zunächst am Computer entworfen und anhand von Simulationen die Eigenschaften theoretisch berechnet. (Bild: C. Möller, SNI)

Doktorarbeit als nächstes Ziel
In ein neues Thema arbeitet sich Vera auch jetzt wieder ein. Im März 2022 hat sie mit ihrer Doktorarbeit in der neu gegründeten Gruppe von Professor Dr. Andrea Hofmann am Departement Physik der Universität Basel begonnen. Sie untersucht bestimmte quantenmechanische Zustände in Germanium-Silizium-Heterostrukturen, die sie mit einem Supraleiter koppeln möchte. Dabei profitiert sie von dem Wissen über Supraleiter aus ihrer Masterarbeit, aber vor allem auch von den organisatorischen Fähigkeiten, die sie sich während des Studiums und den sehr unterschiedlichen Projektarbeiten angeeignet hat.

Vera freut sich auf die vor ihr liegende Zeit der Dissertation, die sehr positiv begonnen hat. «Ich bin in einem tollen, jungen Team und habe bisher extrem viel Spass bei meiner Arbeit», bemerkt sie abschliessend.

Weitere Informationen:

Research groupPasquale Scarlino, EPFL
https://www.epfl.ch/labs/hqc/

Short video with Vera and Mathias
https://youtu.be/DyoPupfgaMs