Die Supraleitung ist eines der auffälligsten kollektiven Phänomene in Quantenmaterialien. Wenn bestimmte Materialien unter eine charakteristische Übergangstemperatur abgekühlt werden, verschwindet ihr elektrischer Widerstand, und elektrischer Strom kann fließen, ohne Energie in Form von Wärme abzugeben. Dieses ungewöhnliche Verhalten entsteht, weil Elektronen korrelierte Paare bilden, sogenannte Cooper-Paare, die sich kollektiv wie eine Welle durch das Material bewegen. Supraleiter sind daher für Technologien attraktiv, die von leistungsstarken Magneten über empfindliche Detektoren bis hin zu Quantenschaltungen reichen.
Dieser verlustfreie Zustand hat jedoch seine Grenzen: Wenn der Strom zu groß wird, bricht die Supraleitung zusammen. Der kritische Strom ist eine Schlüsseleigenschaft jedes Supraleiters und definiert den maximalen Strom, den er leiten kann, bevor elektrische Verluste auftreten.Bei Typ-II-Supraleitern wird diese experimentell beobachtete Grenze jedoch oft nicht direkt durch die mikroskopischen Eigenschaften des supraleitenden Zustands bestimmt. Stattdessen wird sie typischerweise durch die Bewegung von Wirbeln bestimmt – winzigen Bereichen, durch die magnetischer Fluss das Material durchdringt. Bei ausreichend hohem Strom beginnen sich die Wirbel zu bewegen und erzeugen Widerstand und Wärme, die das Material aus seinem supraleitenden Zustand herausdrücken können.
Ultrakurze Ströme für eine höhere, intrinsische Stromgrenze
Ein Supraleiter hat jedoch eine höhere, intrinsische Stromgrenze: den Depairing-Strom. „Man kann sich das so vorstellen, dass der Strom die Phase des kohärenten Quantenzustands des Supraleiters ‚verdreht‘, ähnlich wie beim Aufwickeln einer Feder“, erklärt Eryin Wang, Erstautor der Studie. Wird das supraleitende Kondensat zu stark verdreht, wird der supraleitende Zustand instabil. An dieser Schwelle beginnen Cooper-Paare – die gepaarten Elektronen, die für die Supraleitung verantwortlich sind – auseinanderzubrechen. Da Wirbelbewegung und Erwärmung normalerweise auftreten, bevor die intrinsische Phase zu weit verschoben wird, ist diese intrinsische Grenze mit herkömmlichen Gleichstrom-Transportmessungen nur schwer zu erreichen.
„Unsere Strategie bestand darin, der Wirbeldynamik zu entkommen“, sagt Eryin Wang. Wirbel bewegen sich typischerweise mit Geschwindigkeiten von mehreren 10 km pro Sekunde, was nur einigen 10 nm pro Pikosekunde entspricht. Ein ausreichend kurzer Stromimpuls kann daher sehr hohe Dichten erreichen, bevor Wirbel Zeit haben, sich zu bewegen und die Probe zu erwärmen. Dies reduziert die wirbelinduzierte Dissipation stark und ermöglicht es, das supraleitende Kondensat selbst viel näher an seine intrinsische Grenze heranzuführen.
Um solche ultrakurzen Ströme zu erzeugen, nutzten die Forscher eine am MPSD entwickelte Plattform für ultraschnellen elektrischen Transport. „Um Superleiter nur für wenige Pikosekunden mit Strom zu versorgen, haben wir die Plattform für ultraschnellen elektrischen Transport genutzt, die wir an unserem Institut entwickelt haben“, sagt Guido Meier, Mitautor der Studie. In dieser Plattform werden photoleitende Schalter durch 300-Femtosekunden-Grünlaserimpulse mit einer Wellenlänge von 515 Nanometern aktiviert. Die Schalter erzeugen elektrische Impulse, die nur wenige Pikosekunden dauern und entlang eines koplanaren Wellenleiters sowie durch mikrometergroße supraleitende Proben geleitet werden.
Zwei Materialien im Vergleich
Die Forscher verglichen NbN und YBCO, da sich ihre supraleitenden Zustände grundlegend unterscheiden: NbN weist eine gleichmäßigere Energielücke (s-Welle) auf, während YBCO eine stark richtungsabhängige Lücke (d-Welle) aufweist. Der Vergleich der beiden Materialien hilft dabei aufzudecken, wie die mikroskopische Struktur der Supraleitung deren Zusammenbruch unter ultraschnellem Strom beeinflusst.
In NbN blieb der supraleitende Zustand stabil, bis der Strom einen genau definierten Schwellenwert erreichte, der weit über dem üblichen kritischen Gleichstrom lag. Jenseits dieses Punktes änderte sich das Verhalten abrupt, was darauf hindeutet, dass die für die Supraleitung verantwortlichen Cooper-Paare auseinanderbrachen.
YBCO reagierte ganz anders: Sein supraleitender Zustand schwächte sich mit steigendem Strom allmählich ab. Die Forscher führen diesen Unterschied auf die unterschiedlichen inneren Strukturen der beiden Supraleiter zurück. In NbN ist die supraleitende Energielücke in allen Richtungen nahezu gleich, während sie in YBCO stark variiert und entlang bestimmter Richtungen verschwindet. Infolgedessen kann die Supraleitung in YBCO schrittweise abgeschwächt werden, anstatt an einer einzigen scharfen Schwelle zusammenzubrechen.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Pikosekunden-Transport Zugang zu mikroskopischen Eigenschaften von Supraleitern bieten kann, darunter auch deren Bandlückensymmetrie, die mit herkömmlichen Gleichstrom-Transportmessungen nicht direkt erfassbar sind“, sagt Andrea Cavalleri, der die Forschungsgruppe leitet. Um festzustellen, inwieweit dieser Zusammenhang allgemein gilt, sind Messungen an einer breiteren Palette von Supraleitern erforderlich. Allgemeiner betrachtet zeigt diese Arbeit, dass ultrakurze elektrische Impulse Zugang zu Bereichen des supraleitenden Transports eröffnen können, die normalerweise durch langsamere Prozesse wie Wirbelbewegung und Erwärmung verdeckt sind, und damit neue Möglichkeiten für die Untersuchung und Steuerung von Supraleitern auf ihren intrinsischen Zeitskalen eröffnen. Dieser neue Bereich der Ultrahochstrom-Supraleitung könnte auch Auswirkungen sowohl auf die Optoelektronik als auch potenziell auf magnetische Bauelemente haben.
