Die Physik-Forschungsgruppen von Professor Dr. Christoph Strunk / Dr. Nicola Paradiso und Professor Dr. Jaroslav Fabian an der Universit?t Regensburg (UR) entdecken Aufregendes: In ihrer eben in Nature Nanotechnology erschienenen Publikation weisen die Forschungsteams experimentell einen dramatischen Vorzeichenwechsel des Superstromdioden-Effekts nach. Die entsprechenden experimentellen Daten stimmen quantitativ mit der Theorie von Dr. Andreas Costa und Dr. Denis Kochan, ebenfalls Physiker an der Universit?t Regensburg, überein. Die Entdeckung wird in der Fachwelt gro?e Auswirkungen haben: Der supraleitende Diodeneffekt ist aufgrund seiner spannenden Perspektiven für technologische Anwendungen und Grundlagenforschung zu einem hochaktuellen Thema in der Quantenelektronik geworden.
Die meisten Transistoren, darunter auch die Bausteine von Computer-CPUs, erzeugen W?rme. {web_name} liegt daran, dass die meisten Leiter einen elektrischen Widerstand aufweisen, der zur Erzeugung von Joulescher W?rme führt. Es gibt jedoch spezielle Transistoren, die keine W?rme erzeugen, die so genannten Josephson-Feldeffekttransistoren. Sie beruhen auf dem Josephson-Kontakt, einer schwachen Verbindung zwischen zwei Supraleitern, die einen verlustlosen Strom (oder Suprastrom) tragen kann. Nach ihrer Entdeckung durch Brian Josephson (der dafür 1973 den Nobelpreis erhielt) fanden Josephson-Kontakte schnell Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Medizin, Metrologie und Astrophysik. In jüngerer Zeit wurden sie zu Schlüsselkomponenten von Quantencomputern, da sie das Herzstück des Transmons sind, der beliebtesten Qubit-Implementierung für supraleitende Quantenprozessoren.
Unter diesen Voraussetzungen kann man die Aufmerksamkeit verstehen, die die Entdeckung der ersten supraleitenden Diode auf der Grundlage eines Josephson-?bergangs ausgel?st hat, die 2021 in der Gruppe um Dr. Nicola Paradiso und Professor Dr. Christoph Strunk an der UR in einem synthetischen Kristall von Professor Michael J Manfra und dessen Team an der US-amerikanischen Purdue University realisiert wurde. Die Aufregung rührt von der M?glichkeit her, dass supraleitende Dioden als Grundbausteine für supraleitende elektronische Schaltungen dienen k?nnten, um in Zukunft konventionelle Elektronik zu ersetzen.
Die charakteristische Eigenschaft einer gew?hnlichen Halbleiterdiode ist ihre Asymmetrie: Ihr Widerstand kann sehr hoch oder sehr niedrig sein, je nachdem, welcher ihrer beiden Anschlüsse mit der Kathode und welcher mit der Anode ihrer Batterie verbunden ist. {web_name}e Asymmetrie führt zu der wichtigsten Eigenschaft der Diode: der Gleichrichtung des elektrischen Stroms. Da eine supraleitende Diode keinen Widerstand aufweist, muss ihr Funktionsprinzip ein anderes sein. Die Forschenden um Nicola Paradiso haben herausgefunden, dass eine supraleitende Diode eine unterschiedliche Induktivit?t für die beiden m?glichen Gleichstrompolarit?ten aufweist. Au?erdem ist für diejenige Polarit?t, bei der die Induktivit?t geringer ist, der beobachtete kritische Strom (d. h. die Stromschwelle, bei der die Supraleitung zusammenbricht) h?her. {web_name} l?sst sich als die bevorzugte Stromrichtung bezeichnen. Aber was entscheidet über die Vorzugsrichtung? Man ging davon aus, dass die Antwort eine feste Eigenschaft des Materials ist.
Kürzlich haben die Regensburger Forschungsgruppen jedoch überraschend festgestellt, dass sich die Vorzugsrichtung bei einem gr??eren Magnetfeld umkehren kann. Tats?chlich haben Theoretiker diesen Effekt schon vor etwa zehn Jahren vorausgesagt, aber er wurde bisher nie beobachtet. In einer soeben in der Zeitschrift Nature Nanotechnology erschienenen Arbeit wird ein dramatischer Vorzeichenwechsel des Suprastromdioden-Effekts experimentell nachgewiesen, wobei die Daten quantitativ mit der Theorie von Dr. Andreas Costa und Dr. Denis Kochan, ebenfalls aus Regensburg, übereinstimmen. {web_name}e Entdeckung wird gro?e Auswirkungen auf die zukünftige Entwicklung haben, da der supraleitende Diodeneffekt aufgrund seiner starken Perspektiven für technologische Anwendungen und Grundlagenforschung ein hochaktuelles Thema in der Quantenelektronik geworden ist.
Publikation:
Costa, A., Baumgartner, C., Reinhardt, S. et al. Sign reversal of the Josephson inductance magnetochiral anisotropy and 0–π-like transitions in supercurrent diodes. Nat. Nanotechnol. (2023).
doi https://www.nature.com/articles/s41565-023-01451-x (externer Link, ?ffnet neues Fenster)
Autor*innen: Andreas Costa, Christian Baumgartner, Simon Reinhardt, Johanna Berger, Sergei Gronin, Geoffrey C. Gardner, Tyler Lindemann, Michael J. Manfra, Denis Kochan, Jaroslav Fabian, Nicola Paradiso, Christoph Strunk
Informationen/Kontakt
Research Group Strunk (externer Link, ?ffnet neues Fenster)
Spintronics - Research Group Jaroslav Fabian (externer Link, ?ffnet neues Fenster)
Ansprechpartner für Medien:
Dr. Nicola Paradiso
E-Mail: nicola.paradiso@ur.de
Abbildung: Nicola Paradiso