Eine neue Strategie zur Herstellung und Manipulation von Hochtemperatur-Supraleitern

Supraleiter faszinieren Physiker seit Jahrzehnten. Doch diese Materialien, die den perfekten, verlustfreien Elektronenfluss ermöglichen, zeigen diese quantenmechanische Besonderheit meist nur bei so niedrigen Temperaturen – ein paar Grad über dem absoluten Nullpunkt –, dass sie unpraktisch sind.

Ein Forschungsteam unter der Leitung des Harvard-Professors für Physik und Angewandte Physik Philip Kim hat eine neue Strategie zur Herstellung und Manipulation einer vielfach untersuchten Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern namens Cupraten demonstriert und damit den Weg für die Entwicklung neuer, ungewöhnlicher Formen der Supraleitung in bisher unerreichbaren Materialien geebnet .

Kim und sein Team verwendeten eine einzigartige Herstellungsmethode für Geräte mit niedriger Temperatur Bericht im Journal Wissenschaft ein vielversprechender Kandidat für die weltweit erste supraleitende Hochtemperaturdiode – im Wesentlichen ein Schalter, der den Strom in eine Richtung fließen lässt – aus dünnen Kupratkristallen.

Ein solches Gerät könnte theoretisch junge Industrien wie Quantencomputing antreiben, die auf flüchtigen mechanischen Phänomenen basieren, die schwer aufrechtzuerhalten sind.

„Hochtemperatur-supraleitende Dioden sind tatsächlich ohne Anwendung von Magnetfeldern möglich und eröffnen neue Forschungsmöglichkeiten für die Erforschung exotischer Materialien“, sagte 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 es für möglich gehalten hatten, wobei „höher“ ein relativer Begriff ist (der aktuelle Rekord für einen Cuprat-Supraleiter liegt bei -225 Fahrenheit). Der Umgang mit diesen Materialien ohne Zerstörung ihrer supraleitenden Phasen ist jedoch aufgrund ihrer komplexen elektronischen und strukturellen Eigenschaften äußerst komplex.

Die Experimente des Teams wurden von SY Frank Zhao geleitet, einem ehemaligen Studenten der Griffin Graduate School of Arts and Sciences und jetzt Postdoktorand am MIT. Mithilfe einer luftfreien, kryogenen Kristallmanipulationsmethode in hochreinem Argon konstruierte Zhao eine saubere Grenzfläche zwischen zwei extrem dünnen Schichten des Cuprat-Wismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxids, das den Spitznamen BSCCO („Bisco“) trägt.

BSCCO gilt als „Hochtemperatur“-Supraleiter, da es bei etwa -288 Fahrenheit zu supraleiten beginnt – nach praktischen Maßstäben sehr kalt, aber erstaunlich hoch unter Supraleitern, die normalerweise auf etwa -400 Fahrenheit abgekühlt werden müssen.

Zhao teilte das BSCCO zunächst in zwei Schichten auf, von denen jede ein Tausendstel so breit ist wie ein menschliches Haar. Dann stapelte er bei -130 °C die beiden Schichten um 45 Grad gedreht, wie ein Eiscreme-Sandwich mit schiefen Waffeln, wobei er die Supraleitung an der fragilen Grenzfläche beibehielt.

Das Team stellte fest, dass der maximale Superstrom, der ohne Widerstand durch die Schnittstelle fließen kann, je nach Stromrichtung unterschiedlich ist. Entscheidend ist, dass das Team auch die elektronische Kontrolle über den Grenzflächenquantenzustand durch Umkehr dieser Polarität demonstrierte.

Diese Kontrolle ermöglichte es ihnen effektiv, eine schaltbare, supraleitende Hochtemperaturdiode herzustellen – eine Demonstration grundlegender Physik, die eines Tages in ein Stück Computertechnologie wie ein Quantenbit integriert werden könnte.

„Dies ist ein Ausgangspunkt für die Untersuchung topologischer Phasen mit vor Imperfektionen geschützten Quantenzuständen“, sagte Zhao.

Das Harvard-Team arbeitete mit den Kollegen Marcel Franz von der University of British Columbia und Jed Pixley von der Rutgers University zusammen, deren Teams zuvor theoretische Berechnungen durchgeführt hatten, die das Verhalten des Kuprat-Supraleiters in einem weiten Bereich von Verdrehungswinkeln genau vorhersagten. Um die experimentellen Beobachtungen in Einklang zu bringen, waren auch neue Theorieentwicklungen erforderlich, die von Pavel A. Volkov von der University of Connecticut durchgeführt wurden.