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Mithilfe von nur wenigen Nanometer kleinen Kohlenstoffringen lassen sich Quantenzustände präzise steuern. Möglich macht das eine bislang kaum nutzbare Klasse elektromagnetischer Dipole: toroidale Momente. Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben nun mit Computersimulationen einen Weg gefunden, diese in Nanostrukturen verlustfrei zu erzeugen und zu kontrollieren. Die im Fachjournal „npj Computational Materials“ veröffentlichten Ergebnisse liefern neue Perspektiven für die Quantencomputertechnologie.
In der Physik unterscheidet man zwei bekannte Dipolarten: Elektrische Dipole erzeugen elektrische Signale, etwa bei einer Batterie oder Antennen. Magnetische Dipole, wie eine stromdurchflossene Spule oder ein Stabmagnet, entstehen durch bewegte Ladungen oder permanente Magnete. Neben diesen klassischen Dipolen existiert eine dritte Klasse von Ladungs-Strom-Verteilungen, die bislang auf molekularer Ebene nur schwer zu realisieren sind: toroidale Dipole. „Man kann sie sich so vorstellen: Eine stromdurchflossene Spule schließt ein Magnetfeld ein, das außerhalb der Spule verschwindet. Verbindet man die Enden der Spule, entsteht ein toroidales System, das ladungsneutral ist und keine äußeren elektrischen oder magnetischen Felder erzeugt“, sagt der Physiker Prof. Dr. Jamal Berakdar von der MLU, der die Studie gemeinsam mit Dr. Arkamita Bandyopadhyay durchgeführt hat.
Bisher war in der Forschung zwar bekannt, dass stabile toroidale Momente existieren können. Wie man sie im Nanobereich erzeugen und steuern kann, war jedoch unklar. Denn es treten Probleme auf, wenn sie auf die Nanoskala verkleinert werden. „Klassische toroidale Spulen funktionieren gut, solange sie groß genug sind – etwa mit einem Radius von einem Zentimeter. Wird die Spule aber zu klein, fließt der Strom nicht effizient im Kreis, sondern nur mit hohen Verlusten“, erklärt Arkamita Bandyopadhyay.
Die MLU-Forschenden zeigen nun mit Computersimulationen, wie toroidale Momente in sogenannten Nanotori erzeugt werden können. Dabei handelt es sich um ringförmige Strukturen aus Kohlenstoffatomen, die wie winzige Donuts aussehen. Legt man an diese Strukturen ein konstantes elektrisches Feld an, bewegen sich die Elektronen in einem 3D-Wirbel um den Ring und bilden so ein toroidales Moment. „Wir zeigen anhand von Computersimulationen, wie sich toroidale Momente auf der Nanoskala nicht nur verlustfrei erzeugen, sondern auch kontrollieren, antreiben und umschalten lassen“, so Jamal Berakdar.
Die Ergebnisse der Studie eröffnen Möglichkeiten im Bereich des Quantencomputings. Ein Beispiel ist die präzise Ansteuerung von Supraleitern, bei denen Strom fast verlustfrei fließen kann. Bisherige Methoden erfordern oft Magnetfelder oder elektrische Felder, die auf der Nanoskala nur sehr schwer fokussierbar sind und nicht nur den Supraleiter beeinflussen, sondern auch andere Teilchen in der Umgebung anregen. Dies kann zu Signalrauschen oder hohem Energieverbrauch führen. „Durch die Nutzung toroidaler Momente in Kohlenstoff-Nanotori lässt sich diese Problematik umgehen, weil sie direkt quantenmechanische Phasen verändern können“, so Bandyopadhyay abschließend.
Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.
Studie: Bandyopadhyay A., Berakdar J. Topology-enabled quantum toroidal moment in carbon nanotori. npj Computational Materials (2026). doi: 10.1038/s41524-026-02107-9
https://doi.org/10.1038/s41524-026-02107-9
Das donutartige Kohlenstoff-Molekül entwickelt unter elektrischer Spannung stabile toroidale Momente ...
Copyright: AG Berakdar
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Electrical engineering, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
Das donutartige Kohlenstoff-Molekül entwickelt unter elektrischer Spannung stabile toroidale Momente ...
Copyright: AG Berakdar
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