Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Superwelle im Supraleiter

Intensive Terahertz-Pulse regen in einem keramischen Supraleiter Josephson-Plasma-Solitonen an, die sich für die Datenverarbeitung nutzen lassen könnten

02.04.2013

© Jörg Harms / MPSD

Ein Soliton auf seinem Weg durch den Supraleiter: Regt ein sehr intensiver Laserpuls mit einer Frequenz von zwei Terahertz den Supraleiter Lanthanstrontiumcuprat an, entsteht eine Josephson-Plasmawelle, die langsam über die Ebenen des Materials wandert und nicht zerfließt wie gewöhnliche Wellen. Es handelt sich um ein Josephson-Plasma Soliton, das aus zwei gegeneinander drehenden Wirbeln des supraleitenden Tunnelstromes besteht.

Physiker können das Verhalten von Festkörpern immer präziser mit Licht kontrollieren. Ein internationales Team um Forscher des Hamburger Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie und der Universität Oxford hat nun festgestellt, dass ein intensiver Terahertz-Puls eines Lasers durch einen keramischen Supraleiter in Form eines Solitons wandert. Ein Supraleiter leitet Strom ohne elektrischen Widerstand; die schichtförmig aufgebauten keramischen Supraleiter reflektieren Licht, solange dessen Frequenz einen bestimmten Wert, die Josephson-Plasmafrequenz, nicht überschreitet. Für Licht oberhalb dieser Frequenz, die für den keramischen Supraleiter bei zwei Terahertz, also zwischen Infrarot und Mikrowellenlicht liegt, wird der Supraleiter transparent. Wie das Forscherteam nun festgestellt hat, wandert ein Lichtpuls, der genau die Josephson-Plasmafrequenz besitzt, sehr langsam durch das Material, ohne wie eine gewöhnliche Welle allmählich zu zerfließen. Solche Wellenpakete heißen Solitone und sind unter anderem auch für Tsunamis typisch. Licht-Solitone sind nützlich, um die Verluste bei der optischen Datenübertragung zu reduzieren.

Lichtsignale haben sich in den vergangenen Jahren zu wahren Langstreckenläufern entwickelt. Eine Strecke von einigen 100 Kilometern bewältigen sie in einem Glasfaserkabel heute, ohne auch nur einmal aufgefrischt werden zu müssen. Noch zu Beginn der optischen Kommunikation in den 1990er-Jahren, mussten die Signale etwa alle 20 Kilometer wieder erneuert werden. Dass das heute nicht mehr so ist, liegt auch daran, dass die Signale inzwischen oft in Form von Solitonen durch die Glasfasern wandern. Physiker der Abteilung Kondensierte Materie von Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, der Universitäten Oxford und Tokyo sowie des Helmholtz-Zentrums Dresden Rossendorf haben nun Solitonen durch ein Material geschickt, das sich bislang einen Namen als verlustfreier Stromleiter gemacht hat: den keramischen Supraleiter Lanthanstrontiumcuprat (La1,84Sr0,16CuO4).

Dieses Material ist wie alle keramischen Supraleiter in Schichten aufgebaut. Der widerstandslose Strom fließt dabei durch einzelne dieser Schichten, die durch isolierende Ebenen voneinander getrennt sind. Trotzdem können die stromtransportierenden Cooperpaare, zu denen sich in einem Supraleiter jeweils zwei Elektronen zusammenschließen, durch die isolierende Lage von einer supraleitenden Schicht zur nächsten gelangen. Sie bedienen sich dabei eines quantenmechanischen Tricks, sie tunneln nämlich durch die für sie eigentlich unüberwindbare Barriere. Dieser Effekt heißt Josephson-Effekt, und ein Sandwich aus zwei supraleitenden und einer isolierenden Schicht Josephson-Kontakt. Da der Tunnelstrom, der durch die isolierende Schicht fließt, sehr empfindlich auf Magnetfelder reagiert, wird dieser sogenannte Josephson-Effekt unter anderem für sehr empfindliche Messungen magnetischer Felder ausgenutzt.

Oberhalb der Josephson-Plasmafrequenz wird das Material transparent

Die tunnelnden Cooperpaare stellen sich Physiker als ein Fluid, also eine Art Flüssigkeit vor. „Dieses Fluid charakterisieren wir zum einen durch die Dichte der Cooperpaare und zum anderen durch die sogenannte Phase, die seine langreichweitige Ordnung beschreibt“, erklärt Martin Eckstein, der am Hamburger Max-Planck-Institut die theoretischen Grundlagen für das Experiment gelegt hat. „In diesem Fluid können wir mit Terahertz-Strahlung Plasmawellen anregen, sodass die Phase in dem Fluid periodisch auf ähnliche Weise schwankt wie die Dichte der Luft in einer Schallwelle.“ Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Frequenz über der sogenannten Josephson-Plasmafrequenz liegt, die für das Lanthanstrontiumcuprat bei zwei Terahertz liegt.

Beobachten lässt sich der Schritt über die Josephson-Plasmafrequenz  relativ leicht, weil der keramische Supraleiter dann für Licht transparent ist. Das heißt der anregende Lichtpuls wandert durch das Material, und zwar parallel zu den Ebenen der supraleitenden und isolierenden Schichten. Entscheidend ist nun, dass das Licht auf seinem Weg über die supraleitenden Ebenen sehr stark von der Plasmawelle – Physiker sprechen von einer Josephson Plasmawelle – beeinflusst wird, die es selbst angeregt hat. Das ist in etwa so als würde die Schallwelle eines Gesangs die Schwingung der Stimmbänder verändern – ein Sänger würde sich bedanken.

Nichtlineare Wechselwirkungen bündeln die Frequenzen des Lichtpulses

Wenn der anregende Lichtpuls nun genau die Josephson Plasmafrequenz besitzt und sehr intensiv ist, wandert er in Form eines Solitons durch das Material. Denn dann wird das Wechselspiel aus Licht- und Plasmawelle hochgradig nichtlinear. Nichtlineare Zusammenhänge sind generell für physikalische Überraschungen gut, weil die Zusammenhänge zwischen Ursache und Wirkung dabei oft komplex und mathematisch schwierig zu erfassen sind. So sorgen nichtlineare Wechselwirkungen in einem Josephson-Kontakt dafür, dass aus der Welle eines anregenden Lichtpulses ein Soliton wird.

Erklären lässt sich der Effekt damit, dass sich jeder Lichtpuls wie auch eine Wasserwelle aus Wellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt, die sich stets mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Daher fließen sowohl ein Lichtpuls in einem Glasfaserabel als auch eine Welle auf dem Meer allmählich auseinander. Wie das Physikerteam um die Max-Planck-Forscher nun festgestellt hat, beeinflussen die nichtlinearen Wechselwirkungen im Josephson-Kontakt die einzelnen Frequenzen eines anregenden Lichtpulses gerade so unterschiedlich, dass sie gebündelt bleiben.

Ein neuer Grad an Kontrolle im Wechselspiel von Licht und Materie

„Experimentell konnten wir die Josephson-Plasma-Solitonen nur mit den Terahertz-Pulsen eines Freie-Elektronen-Lasers realisieren, weil sich deren Frequenz zum einen sehr genau einstellen lässt und sie zum anderen sehr intensiv sind“, erklärt Lijhian Zhang, einer der beteiligten Wissenschaftler der Max-Planck-Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik an der Universität Hamburg.

Indem sie Solitonen in einem Supraleiter anregten, hat das Forscherteam einen neuen Grad an Kontrolle im Wechselspiel zwischen Licht und Materie erreicht. „Wir haben damit gezeigt, dass wir in komplexen Materialien gezielt nichtlineare Prozesse anregen und nutzen können“, sagt Andrea Cavalleri, Direktor der Max-Planck-Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik. Diese Kontrolle wollen die Forscher nun noch ausweiten, und sie versprechen sich davon neben neuen grundlegenden Erkenntnissen auch einen praktischen Nutzen, möglicherweise in der Datenverarbeitung.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • University of Tokyo
  • University of Oxford
  • Max-Planck-Gesellschaft
  • MPI für Struktur un…
  • Solitonen
Mehr über Max-Planck-Gesellschaft - Generalverwaltung
Mehr über Uni Hamburg
  • News

    Materiezustände durch Licht verändern

    Physikern der Universität Hamburg ist es gelungen, mithilfe von Laserpulsen die Ordnung von Quantenmaterie so zu stören, dass ein spezieller Zustand – die sogenannte Suprafluidität – hergestellt werden konnte. Diese Arbeit wurde in der aktuellen Ausgabe von „Physical Review Letters“ veröffe ... mehr

    Es gibt mehr plastikfressende Bakterien als bisher angenommen

    Kunststoffe wie PET (Polyethylenterephalat), aus dem Flaschen oder Verpackungen bestehen, werden nur zu einem geringen Teil recycelt, der Großteil gelangt in die Umwelt. Dort wird er nur sehr langsam abgebaut: Laut Umweltbundesamt dauert es bis zu 450 Jahre, bis eine Kunststoffflasche sich ... mehr

    Ein stabiles magnetisches Bit aus drei Atomen

    Wie die Zeitschrift “Nature Communications” berichtet, hat ein Team von Physikern der Universität Hamburg in Kooperation mit dem FZ Jülich und der Radboud Universität in Nijmegen ein ferromagnetisches Teilchen konstruiert, das aus nur drei Eisenatomen auf einer Platinoberfläche besteht und ... mehr

  • Universitäten

    Universität Hamburg

    Als größte Forschungs- und Ausbildungseinrichtung Norddeutschlands und drittgrößte Universität in Deutschland vereint die Universität Hamburg ein vielfältiges Lehrangebot mit exzellenter Forschung. Sie bietet ein breites Fächerspektrum mit zahlreichen interdisziplinären Schwerpunkten und ve ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Markus Fischer

    Jg. 1965, studierte Lebensmittelchemie an der Technischen Universität München und promovierte 1997 im Bereich Molekularbiologie/Proteinchemie. 2003 habilitierte er sich für die Fächer Lebensmittelchemie und Biochemie. Seit 2006 ist er Direktor des Instituts für Lebensmittelchemie der Univer ... mehr

    Luise Herrmann

    Jg. 1983, studierte bis 2010 Lebensmittelchemie an der Universität ­Hamburg. In ihrer Diplomarbeit beschäftigte sie sich mit der Differenzierung von Weizen und Dinkel über deren Proteinmuster. Nach dem Studium absolvierte sie ihr praktisches Jahr teils in Nantes, Frankreich und in Hamburg. ... mehr

    Dr. Anke Heisig

    Anke Heisig, geb. 1961, studierte Biologie mit dem Schwerpunkt Molekularbiologie an der FU Berlin und promovierte am Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik in Berlin-Dahlem. Seit 1998 leitet sie einen DNA-Sequenzierservice zunächst an der Universität Bonn. Nach ihrer Tätigkeit bei der F ... mehr

Mehr über University of Oxford
Mehr über University of Tokyo
  • News

    Photopower fürs Mikrolabor

    Miniaturisierte Bauteile wie etwa Mikrosensoren oder Chiplabors benötigen häufig ebenfalls miniaturisierte, netzunabhängige Stromquellen. Auf der Suche nach geeigneten autonomen Systemen haben japanische Wissenschaftler jetzt ein vollständig integriertes Mikrofluidik-Bauelement entwickelt. ... mehr

    Warum Atomkerne aus der Form geraten

    Ein Team aus Experimentalphysikern der TU Darmstadt hat in Zusammenarbeit mit theoretischen Quantenphysikern der Universität Tokio die Ursachen der Verformung von Atomkernen erforscht. Ein Atomkern besteht aus einer bestimmten Anzahl von Protonen und Neutronen, je nachdem welches Isotop ein ... mehr

    Forscher schauen Katalysator bei der Arbeit zu

    Physikern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, mithilfe eines Rasterkraftmikroskops einem Silberkatalysator bei der Arbeit zuzusehen. Aus den Beobachtungen während einer sogenannten Ullmann-Reaktion können die Forscher deren Energieumsatz berechnen und die Katalyse damit mögliche ... mehr

  • Universitäten

    University of Tokyo

    mehr

Mehr über Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
  • News

    Laser erzeugt Magnet – und radiert ihn wieder aus

    Mit einem Laserstrahl in einer Legierung magnetische Strukturen zu erzeugen und anschließend wieder zu löschen – das gelang Forschern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Universität von Virginia in Charlottesville, US ... mehr

    Energiewende könnte Bedarf an kritischen Metallen erhöhen

    Wenn ein Rohstoff fehlt, kann dies ganze Industrien empfindlich treffen. Seit rund zehn Jahren wird deshalb stark in die Erforschung von Hochtechnologiemetallen investiert, bei deren Versorgung es viele Risiken gibt und die deshalb als kritisch gelten. Wissenschaftler aus dem Helmholtz-Inst ... mehr

    Die Zukunft der Rohstofferkundung in Europa

    Europa soll attraktiver für die Erkundung von Rohstoffen werden. Partner aus Forschung und Industrie wollen dafür innovative, schonende Technologien entwickeln und unter realitätsnahen Bedingungen testen. Zu diesem Zweck sollen drei europäische Referenzgebiete in Deutschland (Geyer), Finnla ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e.V.

    Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) leistet langfristig ausgerichtete Spitzenforschung auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. In strategischen Kooperationen mit nationalen und internationalen Partnern bearbeiten wir neue, für die moderne Industriegesellschaft drängend ... mehr

Mehr über Helmholtz-Gemeinschaft
  • News

    Selbstorganisierte, molekulare Monolagen für effiziente Perowskit-Solarzellen

    Ein Team am HZB hat ein neues Verfahren entdeckt, um effiziente Kontaktschichten in Perowskit-Solarzellen zu realisieren: Es basiert auf Molekülen, die sich selbstorganisierend anordnen und eine Monolage bilden. In den letzten Jahren konnten Solarzellen auf der Basis von Metall-Halid Perows ... mehr

    Helmholtz will Kontakte zu israelischen Forschern und Start-ups knüpfen

    (dpa) Deutschland und Israel hatten Anfang des Monats beschlossen, die wissenschaftliche Zusammenarbeit auszubauen - jetzt eröffnet die Helmholtz-Forschungsgemeinschaft ein Auslandsbüro in Tel Aviv. Damit will Helmholtz Kontakte zu israelischen Forschern und Start-ups knüpfen. Helmholtz ist ... mehr

    Rückenwind für Gründer

    Mit Meeres-Chemie Knochenschwund schneller erkennen, Lastenräder mit leistungsfähigen Brennstoffzellen ausrüsten oder die Energieeffizienz-messung von Gebäuden vereinfachen – dies sind drei der insgesamt sechs neuen Geschäftsideen, die für das Förderprogramm „Helmholtz Enterprise“ ausgewähl ... mehr

  • Videos

    Die Batterie der Zukunft

    Am Karlsruher Institut für Technologie, einem Zentrum der Helmholtz-Gemeinschaft entwickeln Maximilian Fichtner und sein Team die Batterie der Zukunft. Dafür experimentiert er mit neuen chemischen Kombinationen. Mithilfe der Fluorid-Ionen-Technik sollen künftige Batterien deutlich mehr Ener ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V.

    Die Helmholtz-Gemeinschaft leistet Beiträge zur Lösung großer und drängender Fragen von Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch wissenschaftliche Spitzenleistungen in sechs Forschungsbereichen. Sie ist mit 30.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in 16 Forschungszentren und einem Ja ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.