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Die supraleitende Diode

UR-Wissenschaftler erforschen elektronische Schaltungen ohne Wärmeabgabe


19. November 2021

Wenn man ein Smartphone in der Hand hält oder die Hand an die Rückseite eines Desktop-PCs legt kann man es spüren: Elektronische Berechnungen erzeugen zwangsläufig Wärme. Ein Wissenschaftlerteam um Professor Dr. Christoph Strunk und Dr. Nicola Paradiso vom Institut für experimentelle und angewandte Physik der Universität Regensburg forscht an Wegen, dies künftig zu ändern. Ihre Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht.

Die Wärmeentwicklung bei elektronischen Berechnungen entsteht dadurch, dass beim Rechnen viele winzige Ströme kontrolliert werden müssen, die in Schaltkreisen fließen, die geöffnet und geschlossen werden. Es stellt sich also die Frage, warum nicht supraleitende Schaltkreise verwendet werden, die per Definition Strom ohne Verlustleistung leiten, um die Wärmeentwicklung in Computern zu vermeiden.

Das Problem ist, dass es für viele Schaltungskomponenten in der normalen Elektronik noch kein supraleitendes Gegenstück gibt. Das wichtigste Beispiel dafür ist die Diode, ein Schlüsselelement der Elektronik. Als Grundlage des ersten Transistors ist die Diode ein Übergang zwischen zwei Halbleitern mit unterschiedlicher Dotierung, durch den der Strom leicht (mit geringem Widerstand) in die eine und schwer (mit hohem Widerstand) in die andere Richtung fließen kann. Die Richtung hängt davon ab, ob die Polarität der angelegten Spannung mit der Dotierungspolarität im Übergang übereinstimmt.

„Die größte Herausforderung beim Bau einer supraleitenden Diode besteht darin, dass Supraleiter nicht zwischen links und rechts unterscheiden. Ihr Widerstand ist gleich Null, egal in welche Richtung der Strom fließt“, erklärt Dr. Nicola Paradiso vom Institut für experimentelle und angewandte Physik der Universität Regensburg. Um dieses Problem zu lösen, hat das Forscherteam um Prof. Strunk in Regensburg (in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Michael Manfra und Mitarbeitern von der Purdue University und Microsoft Quantum Purdue, USA) Indiumarsenid verwendet, einen speziellen Halbleiter, der aus relativ schweren Elementen besteht. Dieser Halbleiter ist zwar kein Supraleiter, kann aber zwischen zwei gewöhnlichen supraleitenden Leitern (z. B. Aluminium) einen widerstandslosen Strom aufrechterhalten, wodurch ein so genannter Josephson-Übergang entsteht (B. Josephson, Nobelpreis 1973). 
Aufgrund der speziellen Relativitätstheorie spüren die Elektronen das große elektrische Feld der schweren Ionen als Magnetfeld. Dieses Magnetfeld beeinflusst das innere magnetische Moment der Elektronen - ihren Spin - und erzeugt eine so genannte Spin-Bahn-Kopplung. 

Warum ist das wichtig? 
Dieser Trick ist der Schlüssel dazu, dass die Elektronen zwischen links und rechts unterscheiden können. Aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung zeigt der Spin nämlich je nach Ausbreitungsrichtung in eine andere Richtung. Wird ein zusätzliches Magnetfeld in der Ebene quer zur Stromrichtung angelegt, so bricht dessen Kopplung mit den Spins schließlich die Symmetrie zwischen den beiden Strompolaritäten.

Wie funktioniert eine supraleitende Diode? 
Bei kleinen Strömen haben die Elektronen, auch wenn sie zwischen links und rechts unterscheiden können, in beiden Richtungen einen Widerstand von Null. Erhöht man jedoch den Strom bis zu einem bestimmten Wert, schaltet das Gerät in den dissipativen Zustand mit endlichem Widerstand um. Da die Symmetrie zwischen links und rechts gebrochen ist, sind die kritischen Werte für rechts- und linksdrehenden Strom unterschiedlich. Um die Diode zu verwenden, muss man einfach einen Stromwert zwischen den beiden kritischen Strömen anlegen. Der Widerstand wird nur bei einer bestimmten Strompolarität gleich Null sein. Da es das äußere Magnetfeld ist, das den Elektronen sagt, was links und was rechts ist, bedeutet ein Wechsel des Vorzeichens, dass sie links und rechts sind. Daraus ergibt sich, dass der Widerstand durch einfachen Wechsel des Vorzeichens des Magnetfelds von Null auf einen endlichen Wert umschaltet.

Was hat das UR-Forscherteam herausgefunden?
Um die Einzelheiten des Mechanismus zu untersuchen, der den supraleitenden Diodeneffekt hervorruft, haben die Forscher einen Weg gefunden, den scheinbar Zustand des geringen Stroms zu untersuchen, in dem der Widerstand identisch Null ist, egal in welche Richtung der Strom fließt. Der Gedanke dahinter ist, dass der Widerstand bei niedrigem Strom zwar strikt gleich Null ist, die Induktivität jedoch endlich bleibt und einen wertvollen Anhaltspunkt dafür liefert, was mit dem Suprastrom passiert, wenn die Links-Rechts-Symmetrie durch ein Magnetfeld allmählich gebrochen wird. Interessanterweise hat das Experimentierteam einen so genannten magneto-chiralen Anisotropie-Effekt gefunden. Dieser Effekt wurde in der Vergangenheit bei gewöhnlichen Metallen festgestellt. Bei der Messung des Widerstands einer bestimmten Klasse von Metallen, denen die Inversionssymmetrie fehlt, stellt man fest, dass es einen Korrekturterm gibt, der proportional zum Produkt aus Magnetfeld und Stromstärke ist. Das Regensburger Team hat herausgefunden, dass die gleichen Beziehungen für eine supraleitende Diode gelten, wenn man den Widerstand (der einfach Null ist) durch die Induktivität ersetzt.

Schema einer Kette von Josephson-Kontakten bestehend aus 2250 Al-Inseln (silber) auf einem InAs-Quantentrog (gelb). Rote und blaue Pfeile kennzeichnen die spontan fließenden Supraströme. Die Paare von goldenen Kugeln veranschaulichen zwei Elektronen, die ein Cooper-Paar bilden und den Suprastrom tragen. Stärke und Richtung des Stroms hängen von einem in der Ebene liegenden Magnetfeld Bip ab, das mit der Spinstruktur (Kreis aus schwarzen Pfeilen) konkurriert, die aus der Spin-Bahn-Kopplung im Quantentopf resultiert. © Springer Nature

Paradoxerweise könnte die Arbeit mit Josephson-Übergängen vom theoretischen Standpunkt aus gesehen einfacher sein als die Modellierung von Volumensupraleitern. Ein Regensburger Theoretikerteam um Prof. Dr. Jaroslav Fabian konnte den Supra-Stromtransport in Josephson-Kontakten mit Spin-Bahn-Kopplung berechnen und die Ergebnisse der Experimente quantitativ reproduzieren.

Die Demonstration der supraleitenden Diode öffnet den Weg zur Realisierung nicht-trivialer Schaltungskomponenten, die völlig widerstandsfrei sind. Solche Bauteile könnten die Grundlage für eine neue Generation elektronischer Schaltungen sein, die weder Energie verschwenden noch die entstehende Wärme mühsam abführen müssen.


Originalpublikation (+DOI): 
Baumgartner, C., Fuchs, L., Costa, A. et al. 
Supercurrent rectification and magnetochiral effects in symmetric Josephson junctions. 
Nature Nanotechnology (2021). 
https://doi.org/10.1038/s41565-021-01009-9


Informationen/Kontakt

Prof. Dr. Christoph Strunk
Physik der Mikro- und Nano-Strukturen - Institut für experimentelle und angewandte Physik
Universität Regensburg
Tel.: +49 (0) 941 943 3198
E-Mail: Christoph.Strunk@physik.uni-regensburg.de
 

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