Premiere für supraleitende Diode ohne äußeres Magnetfeld

Supraleiter sind der Schlüssel für verlustfreien Stromfluss. Die Realisierung supraleitender Dioden ist allerdings erst kürzlich ein wichtiges Thema der Grundlagenforschung geworden. Internationalen Forschenden unter Mitwirkung des theoretischen Physikers Mathias Scheurer von der Uni Innsbruck ist nun ein Meilenstein gelungen: die Erzeugung eines supraleitenden Dioden-Effekts ohne externes Magnetfeld und damit der Beweis der Annahme, dass Supraleitung und Magnetismus koexistieren. Sie berichten darüber in Nature Physics.

Von einem supraleitenden Dioden-Effekt spricht man, wenn sich ein Material in einer Stromflussrichtung wie ein Supraleiter und in der anderen wie ein Widerstand verhält. Im Gegensatz zu einer konventionellen Diode weist eine solche supraleitende Diode einen komplett verschwindenden Widerstand und somit keinerlei Verluste in Durchlassrichtung auf. Dies könnte die Basis bilden für zukünftige verlustfreie Quanten-Elektronik. Den Dioden-Effekt zu erzeugen gelang Physikern vor etwa zwei Jahren erstmals, allerdings mit einigen grundlegenden Einschränkungen.

„Der Effekt war damals zum einen sehr schwach, zum anderen wurde er durch ein externes Magnetfeld erzeugt, was in möglichen technologischen Anwendungen sehr ungünstig ist“, erläutert Mathias Scheurer vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. Die neuen, von experimentellen Physikern der renommierten US-amerikanischen Brown University durchgeführten Experimente, die in der aktuellen Ausgabe von Nature Physics beschrieben werden, kommen ohne externes Magnetfeld aus. Neben den erwähnten anwendungsrelevanten Vorteilen bestätigen die Experimente eine These, die Mathias Scheurer bereits zuvor theoretisch aufgestellt hat: Nämlich, dass Supraleitung und Magnetismus in einem System, bestehend aus drei gegeneinander verdrehten Graphen-Schichten, koexistieren. Das System erzeugt also quasi selbst sein eigenes internes Magnetfeld, was einen Dioden-Effekt hervorruft.

„Der Dioden-Effekt, den die Kollegen von der Brown University beobachten konnten, war zusätzlich sehr stark. Außerdem kann die Dioden-Richtung durch ein einfaches elektrisches Feld umgekehrt werden. Damit ist es gelungen, den Idealzustand eines supraleitenden Dioden-Effekts zu erzeugen“, verdeutlicht Mathias Scheurer, der in diesem Jahr einen hochdotierten ERC-Starting Grant für seine Forschungen zu zweidimensionalen Materialen, insbesondere von Graphen erhalten hat.

Wunderstoff Graphen

Auch der in Nature Physics beschriebene Dioden-Effekt wurde mit Graphen erzeugt, einem Material, das aus einer einzigen Lage wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome besteht. In übereinandergelegten Schichten weist es vielversprechende Eigenschaften auf, unter anderem können drei gegeneinander verdrehten Graphen-Schichten elektrischen Strom verlustfrei leiten. Dass ein supraleitender Dioden-Effekt ohne externes Magnetfeld in diesem System existiert, hat auf die Erforschung des komplexen physikalischen Verhaltens von drei gegeneinander verdrehten Graphen-Schichten große Auswirkungen, da es die Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus demonstriert. Dies zeigt, dass der Dioden-Effekt nicht nur technologische Relevanz hat, sondern auch das Potential unser Verständnis grundlegender Vorgänge in der Vielteichenphysik zu verbessern. Die theoretischen Grundlagen dazu konnten in einer weiteren hochrangigen Publikation bereits veröffentlicht werden.

Publikation: Zero-field superconducting diode effect in small-twist-angle trilayer graphene.
Jiang-Xiazi Lin, Phum Siriviboon, Harley D. Scammell, Song Liu, Daniel Rhodes, K. Watanabe, T. Taniguchi, James Hone, Mathias S. Scheurer, J.I.A. Li in: Nature Physics, August 2022. DOI: 10.1038/s41567-022-01700-1

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Mathias Scheurer
Institut für Theoretische Physik
Universität Innsbruck
T +43 512 507 52224
E mathias.scheurer@uibk.ac.at
W www.uibk.ac.at/th-physik/mscheurer

Originalpublikation:

Zero-field superconducting diode effect in small-twist-angle trilayer graphene.
Jiang-Xiazi Lin, Phum Siriviboon, Harley D. Scammell, Song Liu, Daniel Rhodes, K. Watanabe, T. Taniguchi, James Hone, Mathias S. Scheurer, J.I.A. Li in: Nature Physics, August 2022. DOI: 10.1038/s41567-022-01700-1

Weitere Informationen:

Publikation Nature Physics
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01700-1
Publikation IOP Science (Theoretische Grundlagen)
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ac5b16