Falle für Fluxonen

Je schneller Daten in Computern verarbeitet werden, desto größer ist die Wärme­entwicklung, die die Leistungs­fähigkeit schneller Computer begrenzt. Forscher versuchen daher seit längerem, digitale Schaltkreise auf der Basis von Supra­leitern zu entwickeln. Innerhalb eines Supra­leiters kann ein Magnet­feld nur in kleinsten quanti­sierten Portionen existieren, den Fluxonen. Diese eignen sich besonders für die Speicherung und Verar­beitung von Datenbits. In einem homogenen Supra­leiter ordnen sich die Fluxonen in einem hexagonalen Gitter an. Mit moderner Nano­technologie ist es Forschern der Universität Wien und der Johannes-Kepler-Uni­versität Linz nun gelungen, künst­liche Fallen für Fluxonen zu bauen und diese damit in andere, vorge­gebene Anord­nungen zu zwingen.

Bisher konnten die Fluxonen in derartigen Fallen nur im thermo­dynamischen Gleich­gewicht beobachtet werden, also in einer gleich­förmigen Anordnung. „Würden wir versuchen, zwei Eier in einem Eier­karton übereinander zu stapeln und dafür die benach­barte Vertiefung leer lassen, so würde das Ei schnell herunterr­ollen und den Gleich­gewichts­zustand mit genau einem Ei in jeder Vertiefung herstellen“, erklärt Wolfgang Lang von der Univ­ersität Wien. Vom Standpunkt der Daten­verarbeitung enthält der vollbesetzte Eierkarton aber kaum Information und ist daher unbrauch­bar. Viel nütz­licher wäre es da, die einzelnen Plätze in einem vorge­gebenen Muster mit Eiern zu besetzen. Damit ließe sich zum Beispiel der von Smartphones bekannte QR-Code im Eier­karton dar­stellen.

Im Nano­bereich ist Lang und Kollegen nun ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen, indem sie erstmals einen stabilen Nicht-Gleich­gewichts­zustand von Fluxonen in einem Gitter aus über 180.000 künst­lichen Fallen demons­trieren konnten. Je nach von außen vorge­gebenem Magnet­feld ordnen sich die Fluxonen in terrassen­förmigen Zonen an, in denen jede Falle entweder kein Fluxon, genau eines, oder sogar mehrere Fluxonen einfängt. „Auch nach einigen Tagen haben wir noch exakt die gleiche Anordnung von Fluxonen beobachtet – eine für ein Quanten­system über­raschende Langzeit­stabilität“, berichtet Georg Zechner von der Uni­versität Wien.

Möglich wurden dies durch eine neuar­tige Methode, die von den Wissen­schaftlern gemeinsam mit dem Wiener High-Tech Unternehmen IMS Nano­fabrication AG entwickelt wurde. „Maskierte Ionen­bestrahlung erlaubt die Herstellung von Nanostrukturen in Supraleitern in einem einzigen Verfahrens­schritt, ist zeit­ökonomisch auf große Flächen anwendbar und daher auch indus­triell skalier­bar und benötigt keine che­mischen Prozesse“, betont Johannes D. Pedarnig vom Institut für Ange­wandte Physik der Johannes-Kepler-Uni­versität Linz. Je nach verwendeter Maske lassen sich damit nahezu beliebige Strukturen in den Supraleiter schreiben. Die Wissen­schafter planen nun weiter­gehende Experimente an komplizier­teren Nano­strukturen, die den gezielten Transport von Fluxonen von einer zur nächsten Falle demons­trieren sollen. Dies könnte ein weiterer wegwei­sender Schritt für die Entwicklung von schnellen Computer­schalt­kreisen auf der Basis von Fluxonen sein.

U. Wien / JOL