Cooper-Paare dirigieren normalleitende Elektronen

Eine supraleitende Brücke ermöglicht zwei Metalldrähten abgestimmtes elektrisches Verhalten.

Bei zahlreichen Quanteneffekten zeigt sich ein kohärentes Verhalten über mehr oder weniger große Entfernungen. Spektakuläre Beispiele sind Photonen oder Atome, die über viele Kilometer- bzw. einige Meter hinweg verschränkt sind. Für die ungewöhnlichen Eigenschaften von Supraleitern sind Elektronenpaare mit verschränkten Spins verantwortlich. In herkömmlichen Supraleitern können diese Cooper-Paare einige hundert Nanometer groß sein. Auf dieser Längenskala, der Kohärenzlänge, zeigt ein Supraleiter „nichtlokales“ kohärentes Verhalten, das sich auch in Normalleitern bemerkbar machen kann, die mit dem Supraleiter in Kontakt stehen. Das haben Experimente an der Northwestern University in Illinois gezeigt.

Venkat Chandrasekhar und seine Mitarbeiter haben die Ströme und Spannungen untersucht, die in einem speziell gefertigten mikrostrukturierten Schaltkreis aus normal- und supraleitenden Materialien auftraten. Die etwa 3 µm große Vorrichtung bestand aus Gold- und Aluminiumdrähten, die auf einer 300 nm dicken Isolatorschicht aus Siliziumdioxid und einem darunterliegenden Siliziumsubstrat lithographisch aufgetragen worden waren. Durch Abkühlung des Schaltkreises auf weniger als 1,1 K ließ sich das Aluminium supraleitend machen, während das Gold normalleitend blieb. Die Drähte waren so angeordnet, dass zwei normalleitende Golddrähte durch eine supraleitende Brücke aus Aluminium verbunden waren, die mit 110 nm etwa so lang war wie die Kohärenzlänge des Supraleiters.

An ähnlichen Mikrostrukturen aus normal- und supraleitendem Material hatte man schon früher zahlreiche interessante Effekte untersucht, bei denen die Cooper-Paare im Supraleiter mit den Leitungselektronen in angrenzenden metallischen Normalleitern zusammenwirken. Dazu gehört das Tunneln der Leitungselektronen von einem Metalldraht zum anderen durch einen Supraleiter hindurch. Bei diesem als „elastic cotunneling“ bezeichneten Prozess nutzen die Elektronen virtuelle Zustände im Supraleiter. Ein weiteres Beispiel ist die Kreuz-Andreev-Reflexion („crossed Andreev reflection“ oder CAR), bei der ein Cooper-Paar im Supraleiter auseinanderbricht und die beiden frei werdenden Elektronen auf unterschiedliche normalleitende Drähte übergehen.

Beide Effekte führen dazu, dass die Leitungselektronen in zwei normalleitenden Metalldrähten über einen sie verbindenden Supraleiter ihr Verhalten kohärent abstimmen können. Diese Abstimmung, die nichtlokal über eine Entfernung von der Größenordnung der Kohärenzlänge des Supraleiters erfolgt, haben Chandrasekhar und seine Kollegen jetzt in ihrem Experiment beobachtet. Dazu legten sie bei einer Temperatur von 14 mK an den einen normalleitenden Golddraht eine schwache Gleichspannung, die eine Nichtgleichgewichtsverteilung der Elektronen im Draht erzeugte. Eine zusätzliche Wechselspannung setzte die Elektronen in Bewegung. Um den Elektronen eine kohärente Phase zu geben, war an den normalleitenden Draht eine supraleitende Schlaufe angeschlossen, die von einem regelbaren Magnetfeld durchsetzt wurde.

Der normalleitende Golddraht war über eine supraleitende Aluminiumbrücke mit einem zweiten Golddraht verbunden. Wurde nun der magnetische Fluss durch die Schlaufe stetig erhöht, sie änderte sich die elektrische Spannung zwischen dem ersten Golddraht und der supraleitenden Brücke periodisch, wobei die Periode genau ein Flussquant betrug. Als die Forscher parallel dazu auch die elektrische Spannung zwischen dem zweiten Golddraht und der supraleitenden Brücke maßen, stellten sie auch hier periodische Schwankungen fest, die mit den Spannungsschwankungen im ersten Draht völlig synchron waren. Allerdings hatten sie eine um den Faktor 6 kleinere Amplitude.

Wie kam es zu dieser „geisterhaften“ Synchronisation der Leitungselektronen in den beiden Drähten, ohne dass der Supraleiter zwischen ihnen eine elektrische Spannung direkt übertragen konnte? Der Einfluss der kohärenten Elektronenbewegung im ersten Golddraht war mit Hilfe der Cooper-Paare in der supraleitenden Aluminiumbrücke zu den Elektronen des zweiten Golddrahtes kohärent übermittel. Venkat Chandrasekhar hat dazu eine Theorie entwickelt, die den erwähnten Tunnel- und CAR-Prozess berücksichtigt und das beobachtete Verhalten der Elektronen gut erklären kann. Da die vermittelnde Wirkung der Cooper-Paare nur etwa über ihre Kohärenzlänge reicht, klingt sie schnell mit der Entfernung zwischen den beiden Golddrähten ab. Die beobachtete Abschwächung der Spannung um den Faktor 6 steht damit in Einklang. Cooper-Paare können also auch in angrenzende Normalleiter hineinwirken und dort die Bewegungen der Leitungselektronen koordinieren.

RAINER SCHARF


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  P. Cadden-Zimansky, J.Wei and V. Chandrasekhar: Cooper-pair-mediated coherence between two normal metals. Nature Physics (published online, 26.4.2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nphys1252
• Gruppe von Venkat Chandrasekhar an der Northwestern University in Evanston, Illinois:
  http://meso.phys.northwestern.edu/
  

Weitere Literatur:

• P. Cadden-Zimansky and V. Chandrasekhar: Nonlocal Correlations in Normal-Metal Superconducting Systems. Phys. Rev. Lett. 97, 237003 (2006)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.237003
  http://meso.phys.northwestern.edu/intranet/pubdocs/PhysRevLett_97_237003.pdf/view (frei)
• D. Feinberg: Andreev scattering and cotunneling between two superconductor-normal metal interfaces: the dirty limit. Euro. Phys. J. B 36, 419 (2003)
  http://dx.doi.org/10.1140/epjb/e2003-00361-6
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0307099
• Matthias Eschrig: Paare auf getrennten Wegen. Physik Journal, Januar 2005, S. 14
  http://www.pro-physik.de/Phy/pdfstart.do?mid=3&articleid=21490&recordid=21519

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