Photoinduzierte Supraleitung auf einem Chip

Forschende des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg haben gezeigt, dass die bereits nachgewiesene Fähig­keit, Supra­leitung mit einem Laserstrahl zu erzeugen, auf einem Chip integriert werden kann. Dies eröffnet einen neuen Weg zu opto-elektronischen Anwendungen. Sie berichten, dass die elektrische Antwort von photo­angeregtem K₃C₆₀ nicht linear ist, sondern dass der Widerstand der Probe vom angelegten Strom abhängt. Dies ist eine Schlüssel­eigenschaft der Supraleitung und bestätigt nicht nur einige frühere Beobachtungen, sondern liefert auch neue Informationen und Perspektiven zur Physik von K₃C₆₀-Dünnschichten.

Die optische Manipulation von Materialien zur Erzeugung von Supraleitfähigkeit bei hohen Temperaturen ist ein wichtiger Forschungs­schwerpunkt des MPSD. Bislang hat sich diese Strategie bei mehreren Quanten­materialien als erfolgreich erwiesen. In früheren Studien optisch gesteuerter Zustände in diesen Materialien wurden eine verbesserte elektrische Kohärenz und ein verschwindender elektrischer Widerstand beobachtet. In ihrer jüngsten Studie setzte die Cavalleri-Gruppe nicht­lineare Terahertz-Spektroskopie auf dem Chip ein, um das Feld der Pikosekunden-Transport­messungen zu erschließen. 

Sie integrierten dünne K₃C₆₀-Filme mit photoleitenden Schaltern und koplanaren Wellenleitern auf einem Chip. Mit einem sichtbaren Laserpuls zum Auslösen des Schalters schickten sie einen starken elektrischen Strompuls von nur einer Pikosekunde Dauer durch das Material. Nachdem der Stromimpuls den Festkörper mit etwa halber Lichtgeschwindigkeit durchquert hatte, erreichte er einen weiteren Schalter. Dieser diente als Detektor, um wichtige Informationen, wie die charak­teristischen elektrischen Signaturen der Supraleitung, zu ermitteln.

Während die Forschenden die K₃C₆₀-Filme mit Licht im mittleren Infrarotbereich bestrahlten, konnten sie nichtlineare Stromänderungen in dem optisch angeregten Material beobachten. Dieses  kritische Stromverhalten und der Meissner-Effekt sind die beiden wichtigsten Eigenschaften von Supraleitern. Keine der beiden wurde jedoch bisher in einem photo­induzierten Supraleiter gemessen, so dass der Nachweis des kritischen Stromverhaltens in dem angeregten Festkörper von besonderer Bedeutung ist. Außerdem entdeckte das Team, dass der optisch angeregte Zustand von K₃C₆₀ dem eines  granularen Supraleiters ähnelt, der aus schwach verbundenen supraleitenden Inseln besteht.

Der verwendete Chip wurde am Institut entwickelt und konstruiert. „Wir haben eine Technik­plattform entwickelt, die sich perfekt für die Untersuchung nichtlinearer Transport­phänomene abseits des thermischen Gleichgewichts eignet, beispiels­weise die nichtlinearen und anomalen Hall-Effekte oder die Andreev-Reflexion", sagt Eryin Wang, wissen­schaftlicher Mitarbeiter in der Cavalleri-Gruppe. Darüber hinaus könnte die Integration der Nichtgleich­gewichts-Supraleitung in opto­elektronische Plattformen zu neuen Bauelementen führen, die auf diesem Effekt basieren.

Andrea Cavalleri, Gründer und Leiter der Forschungsgruppe, fügt hinzu: „Diese Arbeit unterstreicht die wissen­schaftlichen und techno­logischen Entwicklungen innerhalb des MPSD in Hamburg, wo ständig innovative experimentelle Methoden entwickelt werden, um neue wissen­schaftliche Erkenntnisse zu gewinnen. Wir arbeiten seit fast einem Jahrzehnt an ultraschnellen elektrischen Transport­methoden. Nun sind wir in der Lage, viele neue Phänomene in Nicht-Gleichgewichts­materialien zu untersuchen und möglicherweise nachhaltige Veränderungen in der Technologie in die Wege zu leiten.“

MPSD / JOL