Hochtemperatursupraleiter mit einem Kniff?
Fabrikationsmethode könnte Materialentdeckung erleichtern
Supraleiter faszinieren Physiker schon seit Jahrzehnten. Aber diese Materialien, die einen perfekten, verlustfreien Elektronenfluss ermöglichen, zeigen diese quantenmechanische Besonderheit in der Regel nur bei so niedrigen Temperaturen - einige Grad über dem absoluten Nullpunkt -, dass sie unpraktisch sind.
Grafische Darstellung des gestapelten, verdrillten Kuprat-Supraleiters, mit begleitenden Daten im Hintergrund.
Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Zhao
Ein Forscherteam unter der Leitung des Harvard-Professors für Physik und angewandte Physik, Philip Kim, hat eine neue Strategie zur Herstellung und Manipulation einer weithin untersuchten Klasse von Supraleitern höherer Temperaturen, den so genannten Cupraten, entwickelt und damit den Weg für die Entwicklung neuer, ungewöhnlicher Formen der Supraleitung in bisher unerreichten Materialien geebnet.
Mithilfe einer einzigartigen Methode zur Herstellung von Bauelementen bei niedrigen Temperaturen berichten Kim und sein Team in der Zeitschrift Science über einen vielversprechenden Kandidaten für die weltweit erste supraleitende Hochtemperaturdiode - im Wesentlichen ein Schalter, der den Strom in eine Richtung fließen lässt - aus dünnen Cupratkristallen. Ein solches Bauelement könnte theoretisch den aufstrebenden Industrien wie der Quanteninformatik zugute kommen, die sich auf flüchtige mechanische Phänomene stützen, die nur schwer aufrechtzuerhalten sind.
"Hochtemperatursupraleitende Dioden sind tatsächlich möglich, ohne Anwendung von Magnetfeldern, und öffnen neue Türen für die Erforschung exotischer Materialien", so Kim.
Cuprate sind Kupferoxide, die vor Jahrzehnten die Welt der Physik auf den Kopf stellten, indem sie zeigten, dass sie bei viel höheren Temperaturen supraleitend werden, als Theoretiker für möglich gehalten hatten, wobei "höher" ein relativer Begriff ist (der derzeitige Rekord für einen Cuprat-Supraleiter liegt bei -225 Grad Celsius). Die Handhabung dieser Materialien, ohne ihre supraleitenden Phasen zu zerstören, ist jedoch aufgrund ihrer komplizierten elektronischen und strukturellen Eigenschaften äußerst komplex.
Die Experimente des Teams wurden von S. Y. Frank Zhao geleitet, einem ehemaligen Studenten der Griffin Graduate School of Arts and Sciences, der jetzt als Postdoc am MIT forscht. Mithilfe einer luftfreien, kryogenen Kristallmanipulationsmethode in ultrareinem Argon erzeugte Zhao eine saubere Grenzfläche zwischen zwei extrem dünnen Schichten des Kuprat-Bismut-Strontium-Kalzium-Kupfer-Oxids, das den Spitznamen BSCCO ("Bisko") trägt. BSCCO gilt als "Hochtemperatur"-Supraleiter, weil es bei etwa -288 Grad Celsius zu supraleiten beginnt - nach praktischen Maßstäben sehr kalt, aber erstaunlich hoch unter den Supraleitern, die normalerweise auf etwa -400 Grad Celsius gekühlt werden müssen.
Zhao teilte den BSCCO zunächst in zwei Schichten auf, die jeweils ein Tausendstel so breit wie ein menschliches Haar waren. Dann stapelte er die beiden Schichten bei -130 mit einer 45-Grad-Drehung, wie ein Eiscreme-Sandwich mit schiefen Scheiben, um die Supraleitfähigkeit an der zerbrechlichen Schnittstelle zu erhalten.
Das Team fand heraus, dass der maximale Suprastrom, der ohne Widerstand durch die Grenzfläche fließen kann, je nach Stromrichtung unterschiedlich ist. Entscheidend ist, dass das Team auch die elektronische Kontrolle über den Quantenzustand der Grenzfläche nachweisen konnte, indem es diese Polarität umkehrte. Diese Kontrolle ermöglichte es ihnen, eine schaltbare Hochtemperatur-Supraleitungsdiode herzustellen - eine Demonstration grundlegender physikalischer Prinzipien, die eines Tages in eine Computertechnologie, wie z. B. ein Quantenbit, integriert werden könnten.
"Dies ist ein Ausgangspunkt für die Erforschung topologischer Phasen mit Quantenzuständen, die vor Unvollkommenheiten geschützt sind", sagte Zhao.
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