Der Coloumb-Widerstand ist ein Phänomen, das auf zwei elektronische Schaltkreise wirkt, wobei ein Ladestrom in einem Schaltkreis allein durch sogenannte Coloumb-Wechselwirkungen einen Antwortstrom in einem benachbarten Schaltkreis induziert. Dies sind elektrostatische Wechselwirkungen zwischen elektrischen Ladungen, die dem Coulombschen Gesetz folgen, der Schlüsseltheorie der Physik, die die klassische Elektrodynamik beschreibt.
Typischerweise wurde dieses Phänomen unter Verwendung benachbarter Schaltungen aus leitenden Materialien oder elektrischen Leitern untersucht. Dies sind im Wesentlichen Materialien, durch die Strom leicht fließen kann.
Forscher der University of Science and Technology of China haben kürzlich untersucht, was passiert, wenn ein Schaltkreis auf einem Leiter basiert und ein benachbarter auf einem Supraleiter (dh Materialien, die elektrischem Strom überhaupt keinen Widerstand entgegensetzen). Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Naturphysikzeigen, dass in diesen Fällen die Widerstandsreaktion signifikant größer ist als die, die zuvor in Studien beobachtet wurde, die zwei normale Leiter verwendeten.
„Das Schleppexperiment zwischen zwei elektrisch isolierten Leitern war ein effektiver Ansatz, um elementare Anregungen zu erkennen und die Phasenkohärenz zwischen den Schichten aufzudecken“, sagte Changgan Zeng, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Das Ersetzen eines der Leiter durch einen Supraleiter kann Möglichkeiten eröffnen, Supraleitung und Fluktuationseffekte zu untersuchen sowie neue Techniken zur Manipulation von Supraleiterschaltkreisen zu erforschen.“
Die ersten Widerstandsexperimente mit Leitern und Supraleitern wurden in den 1990er Jahren durchgeführt. Die damals verwendeten Bauelemente basierten jedoch auf konventionellen Metall-Supraleiter-Doppelschichten wie Au/Ti-AlOX.
Die in diesen Experimenten beobachteten Widerstandsreaktionen waren ziemlich schwach und unkontrolliert. Darüber hinaus konnten die Forscher den mikroskopischen Ursprung des von ihnen beobachteten Widerstandseffekts nicht klären.
„Dank neu aufkommender zweidimensionaler (2D) Materialien konnten wir das Problem erneut aufgreifen, da die elektronischen Eigenschaften dort hochgradig einstellbar sind und ein ultrakleiner Zwischenschichtabstand auch archivierbar ist“, sagte Lin Li, der dies entworfen und überwacht hat Zusammenarbeit mit Zeng.
„Unsere experimentelle Gruppe am USTC unter der Leitung von Prof. Zeng verfügt über langjährige Erfahrung in der Herstellung von Geräten und der Untersuchung von Transporteigenschaften von 2D-Materialien.
Die Heterostruktur, die Zeng und seine Kollegen in ihren Experimenten verwendeten, wurde unter Verwendung einer Lanthanaluminat (LAO)-Schicht als natürlicher isolierender Abstandshalter zwischen dem Leitergraphen und einem 2D-Elektronengas hergestellt, das sich an der Grenzfläche zwischen LAO und einer Strontiumtitanat (STO)-Schicht bildete , das bei niedrigen Temperaturen zum Supraleiter wird.
Die Forscher stimmten dann mehrere Parameter ihres Systems ab, darunter Temperatur, Magnetfeld und Gate-Spannungen. Dabei beobachteten sie ein beträchtliches und abstimmbares Widerstandssignal im supraleitenden Übergangsregime der LAO/STO-Grenzfläche.
„Das optimale Passiv-zu-Aktiv-Verhältnis (PAR) ist viel höher als das typische Widerstandssignal zwischen zwei normalen Leitern sowie das zwischen Au/Ti und SC AlOx, das in den bestehenden Studien erhalten wurde“, sagte Li. „Die riesigen Werte und die anomale Temperatur- und Trägerabhängigkeit des PAR deuten darauf hin, dass sich hinter unseren Beobachtungen ein neuer Widerstandsmechanismus verbirgt.“
Dr. Hong-Yi Xie, ein theoretischer Physiker an der Beijing Academy of Quantum Information Sciences, der kürzlich an die University of Oklahoma wechselte, verwendete die moderne Quanten-Vielteilchentheorie, um die Beobachtungen des Teams zu erklären. Genauer gesagt entwickelte er eine theoretische Beschreibung dessen, was passiert, wenn ein Coulomb-gekoppelter Normalleiter mit einem Supraleiter gepaart wird.
„Schließlich haben wir herausgefunden, dass das beobachtete Drag-Phänomen auf die dynamische Kopplung zwischen den Quantenfluktuationen der SC-Phasen eines Josephson-Junction-Array-Supraleiters und den Ladungsdichten im Normalleiter zurückzuführen ist, die wir Josephson-Colulomb ( JC) Drag-Effekt“, sagte Zeng. „Der enthüllte JC-Widerstandseffekt schafft eine neue Kategorie in der Widerstandsphysik und manifestiert die einzigartige Rolle von Quantenfluktuationen bei der Beherrschung der Zwischenschichtprozesse.“
Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams zeigt, dass die Widerstandsreaktion zwischen einem normalen Leiter und einem Supraleiter viel größer sein kann als die zwischen zwei normalen Leitern. Diese Erkenntnis könnte erhebliche Auswirkungen sowohl auf die Physikforschung als auch auf die Technologieentwicklung haben.
Der von den Forschern vorgestellte JC-Drag könnte sich als besonders vielversprechend für die Entwicklung neuer Elektronik erweisen. Konkret könnte es zur Schaffung von Komponenten auf der Basis von Supraleitern beitragen, die als Strom- oder Spannungswandler arbeiten könnten.
„In unseren nächsten Arbeiten möchten wir zunächst Schleppexperimente zwischen zwei 2D-Supraleitern durchführen“, fügt Zeng hinzu. „Darüber hinaus planen wir, die entstehende Zwischenschichtkopplung zwischen breiteren 2D-Systemen zu untersuchen, die verschiedene Quantenphasen durch Parameterabstimmung aufweisen, dh 2D-topologisches Halbmetall / Isolator und 2D-Ferromagnet. Unser Ziel ist es, neuartige Vielteilcheneffekte aufgrund der starken Zwischenschichtkopplung zwischen ihnen zu entdecken verschiedene elementare Erregungen.“
Mehr Informationen:
Ran Tao et al., Josephson-Coulomb-Widerstandseffekt zwischen Graphen und einem LaAlO3/SrTiO3-Supraleiter, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01902-7
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