Supraleitende Diode mit Vorzeichenumkehr

Die Forschungsgruppen von Christoph Strunk und Nicola Paradiso sowie von Jaroslav Fabian an der Universität Regensburg haben eine aufregende Entdeckung gemacht: In ihrer neuen Publikation weisen sie experimentell einen dramatischen Vorzeichen­wechsel des Superstrom­dioden-Effekts nach. Die entsprechenden experimentellen Daten stimmen quantitativ mit der Theorie von Andreas Costa, ebenfalls von 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 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 Nicola Paradiso und Christoph Strunk an der UR in einem synthetischen Kristall von 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 Forscher 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 (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 nun erschienenen Arbeit wird ein dramatischer Vorzeichen­wechsel des Suprastrom­dioden-Effekts experimentell nachgewiesen, wobei die Daten quantitativ mit der Theorie von 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.

U. Regensburg / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Costa et al.: Sign reversal of the Josephson inductance magnetochiral anisotropy and 0–π-like transitions in supercurrent diodes, Nat. Nanotechnol., online 10. Juli 2023; DOI: 10.1038/s41565-023-01451-x
• Mikro- und Nano-Strukturen (C. Strunk), Universität Regensburg
• Spintronics (J. Fabian), Universität Regensburg