Vorzeichenumkehr des Josephson-Dioden-Effekts
Die Abbildung zeigt die Kette von Josepshon-Übergängen in einer Al/InAs-Heterostruktur, die von der Gruppe von Prof. Strunk und Dr. Paradiso an der UR hergestellt wurde. Bei einer Temperatur unterhalb von Kelvin und unter einem Magnetfeld B führt das Bauelement je nach Magnetfeld vorzugsweise in eine Richtung Superstrom. Abbildung: Nicola Paradiso
Entdeckung von UR-Physik-Forschungsgruppen wird die Quantenelektronik verändern.
Die Physik-Forschungsgruppen von Prof. Dr. Christoph Strunk / Dr. Nicola Paradiso und Prof. Dr. Jaroslav Fabian an der Universität Regensburg 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, ebenfalls Physiker an der Universität Regensburg, überein.
Die meisten Transistoren, darunter auch die Bausteine von Computer-CPUs, erzeugen Wärme. Dies liegt daran, dass die meisten Leiter einen elektrischen Widerstand aufweisen, der zur Erzeugung von Joulescher Wärme führt. Es gibt jedoch spezielle Transistoren, die keine Wärme 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-Übergangs ausgelöst 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 Möglichkeit her, dass supraleitende Dioden als Grundbausteine für supraleitende elektronische Schaltungen dienen könnten, um in Zukunft konventionelle Elektronik zu ersetzen.
Die charakteristische Eigenschaft einer gewöhnlichen 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. Diese 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 Induktivität für die beiden möglichen Gleichstrompolaritäten aufweist. Außerdem ist für diejenige Polarität, bei der die Induktivität geringer ist, der beobachtete kritische Strom (d. h. die Stromschwelle, bei der die Supraleitung zusammenbricht) höher. Dies lässt 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 größeren Magnetfeld umkehren kann. Tatsächlich 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, ebenfalls aus Regensburg, übereinstimmen.
Diese Entdeckung wird große 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.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Research Group Strunk, Universität Regensburg
Spintronics – Research Group Jaroslav Fabian, Universität Regensburg
Dr. Nicola Paradiso, E-Mail: nicola.paradiso@ur.de
Originalpublikation:
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). https://www.nature.com/articles/s41565-023-01451-x
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