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.
Vielversprechender „Kandidat“ gefunden
Mithilfe einer einzigartigen Methode zur Herstellung von Bauelementen bei niedrigen Temperaturen berichten Kim und sein Team 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.
Ein Team von Physikern des Nevada Extreme Conditions Lab (NEXCL) der UNLV verwendete bei seinen Forschungen eine Diamant-Ambosszelle, ein Forschungsgerät ähnlich dem abgebildeten, um den Druck zu senken, der für die Beobachtung eines Materials erforderlich ist, das bei Raumtemperatur supraleitfähig ist. „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 °C). Die Handhabung dieser Materialien, ohne ihre supraleitenden Phasen zu zerstören, ist jedoch aufgrund ihrer komplizierten elektronischen und strukturellen Eigenschaften äußerst schwierig.
Experimentverlauf
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 °C zu supraleiten beginnt - nach praktischen Maßstäben sehr kalt, aber erstaunlich hoch unter den Supraleitern, die normalerweise auf etwa -400 °C 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 °C 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 zum Beispiel ein Quantenbit, integriert werden könnten.
„Dies ist ein Ausgangspunkt für die Erforschung topologischer Phasen mit Quantenzuständen, die vor Unvollkommenheiten geschützt sind“, sagte Zhao.
