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Digitale Geräte, Rechenzentren und Netzwerke der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) machen derzeit etwa 6 bis 12 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs aus. Der Bedarf an energieeffizienterer Elektronik ist groß und wächst stetig, und hier haben sich supraleitende Materialien als vielversprechende Lösung herausgestellt. Im Gegensatz zu herkömmlicher Elektronik, bei der Energie in Form von Wärme verloren geht, können Supraleiter Strom ohne jeglichen Energieverlust leiten. Somit haben Supraleiter das Potenzial, Stromnetze, Elektronik und Quantentechnologien um ein Vielfaches energieeffizienter zu machen.
Der Weg zu praktischen Anwendungen wird jedoch noch durch mehrere zentrale Herausforderungen versperrt. Ein großes Hindernis besteht darin, dass supraleitende Zustände oft extrem niedrige Temperaturen erfordern – bis hinunter zu etwa minus 200 °C. Die Kühlung auf solche Temperaturen ist komplex und energieintensiv. Eine weitere große Herausforderung besteht darin, dass die Supraleitung durch starke Magnetfelder abgeschwächt oder zerstört werden kann. Dies ist eine entscheidende Einschränkung, da Magnetfelder in modernen elektronischen Geräten häufig vorkommen und für viele Quantentechnologien unverzichtbar sind. Damit die Supraleitungstechnologie den Sprung aus dem Labor in die praktische Anwendung schafft, werden daher Materialien benötigt, die die Supraleitung bei höheren Temperaturen – idealerweise nahe der Raumtemperatur – aufrechterhalten können und gleichzeitig unter starken Magnetfeldern stabil bleiben.
Robuste Supraleitung durch neuen Ansatz
Auf der Suche nach solchen robusten Supraleitern haben Forscher auf diesem Gebiet versucht, die chemische Zusammensetzung einer Vielzahl von Materialien zu verändern, allerdings mit mäßigem Erfolg. Nun haben Forscher an der Chalmers-Universität einen anderen Weg eingeschlagen – und einen wichtigen Schritt nach vorne gemacht.
„Indem wir die Oberfläche, auf der der Supraleiter aufliegt, strukturiert haben, konnten wir Supraleitung bei deutlich höheren Temperaturen als bisher möglich induzieren. Wir haben außerdem festgestellt, dass das Material auch bei Einwirkung starker Magnetfelder supraleitend blieb“, erklärt Floriana Lombardi, Professorin für Quantenbauelementphysik an der Chalmers University of Technology und Hauptautorin der Studie.
Ein winziges Detail machte einen riesigen Unterschied
Die Forscher von Chalmers verwendeten ein Material auf Kupferoxidbasis, das zur Familie der Kuprate gehört. Kuprate sind bekannte Supraleiter, die bei relativ hohen Temperaturen funktionieren können. Ihre chemische Struktur lässt sich jedoch nach der Herstellung nur schwer anpassen.
Das in dieser Studie verwendete supraleitende Material ist nur wenige Nanometer dick – weniger als ein Millionstel der Dicke eines Haares. Für die praktische Elektronik müssen solche ultradünnen Schichten auf einer Trägerbasis, einem sogenannten Substrat, aufgebracht werden, das die notwendige Vorlage für das Wachstum bildet. Der Durchbruch gelang, als das Chalmers-Team nanoskalige Anpassungen an der Substratoberfläche vornahm.
„Da die Atome im Substrat in einem bestimmten Muster angeordnet sind, können sie ‚steuern‘, wie sich die Atome in der supraleitenden Schicht anordnen. Durch die Veränderung der Oberflächenstruktur des Substrats konnten wir die supraleitenden Eigenschaften beeinflussen und sicherstellen, dass sie auch bei höheren Temperaturen und unter Einwirkung starker Magnetfelder erhalten blieben“, erklärt Eric Walhberg, Forscher am RISE Research Institutes of Sweden.
Als die Forscher das Substrat im Vakuum und bei hoher Temperatur vorbehandelten, bildete sich ein regelmäßiges Oberflächenmuster aus winzigen Erhebungen und Vertiefungen. Dieses Muster schuf eine Art elektronische Landschaft im Grenzbereich zwischen dem Substrat und dem supraleitenden Material – eine Landschaft, die eine stärkere Supraleitung begünstigte. „Wir konnten beobachten, wie die Eigenschaften der Elektronen in diesem Grenzbereich eine bevorzugte Richtung annahmen und sich so verhielten, dass sie den supraleitenden Zustand stabilisierten und verstärkten“, sagt Lombardi.
Ein neues Konstruktionsprinzip für zukünftige Supraleiter
Mit diesem Durchbruch stellen die Forscher ein neues Konstruktionsprinzip für die Entwicklung supraleitender Materialien vor, die in Zukunft möglicherweise bei viel höheren Temperaturen funktionieren könnten, vielleicht sogar nahe der Raumtemperatur.
„Anstatt nach völlig neuen Materialien zu suchen oder die chemischen Eigenschaften bestehender Materialien zu verändern, zeigen wir nun, wie sich die Supraleitung durch die Gestaltung des Substrats verbessern lässt“, sagt Lombardi.
Diese Ergebnisse ebnen den Weg für praktische Anwendungen von Supraleitern in energieeffizienter Elektronik, Quantenkomponenten der nächsten Generation und Technologien, die starke Magnetfelder erfordern. „Dies zeigt, dass sehr kleine Veränderungen im Nanobereich entscheidende Auswirkungen haben und möglicherweise sogar das volle Potenzial der Supraleitung in der Elektronik der Zukunft erschließen können“, sagt Lombardi.
