Terahertzlicht wirkt auf Supraleiter

Die meisten Systeme in der Natur sind inhärent nichtlinear. Das bedeutet, dass ihre Reaktion auf äußere Anregungen nicht proportional zur Stärke des Auslöseimpulses ist. Nicht­linearitäten beobachtet man beispiels­weise bei makro­skopischen Phänomenen wie etwa dem Fluss von Fluiden wie Wasser und Luft, oder dem Stromfluss in elektronischen Schalt­kreisen. Die Manipulation nicht­linearen Verhaltens ist daher ein interessanter Ansatz, um Kontrolle über verschiedene Prozesse zu erlangen.

Ein inter­nationales Forscher­team um Andrea Cavalleri vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie MPSD in Hamburg hat nun die nicht­lineare Wechsel­wirkung zwischen einem Terahertz-Lichtfeld und einer supra­leitenden Plasmawelle in einem Hoch­temperatur­supraleiter genutzt, um Letztere zu verstärken. Dies führte zu einem kohärenteren Supraleiter, der weniger anfällig für thermische Fluk­tuationen ist. Aufgrund der verlustfreien, supra­leitenden Natur der Plasma­welle öffnet die Studie neue Wege für die Plasmonik, ein Forschungs­gebiet, das sich unter anderem mit der Informations­übermittlung mithilfe von Plasma­wellen befasst. 

Die Dynamik der Ladungs­träger an einem Josephson-Kontakt wird durch die Josephson-Gleichungen bestimmt, welche aussagen, dass der Stromfluss der tunnelnden Cooper-Paare proportional zum Sinus des Phasen­unterschieds zwischen den beiden Supraleitern ist. Wenn an den Josephson-Kontakt eine Spannung angelegt wird, oszilliert der Tunnelstrom zwischen den Supraleitern mit einer Frequenz, die vom Spannungs­abfall abhängt. Der Josephson-Effekt führte nicht nur zu grund­legenden Erkenntnissen in der Physik, sondern auch zu vielen Anwendungen, darunter SQUIDs zur genauen Messung extrem schwacher Magnetfelder. Zu aktuellen Forschungs­themen, die den Josephson-Effekt ausnutzen, gehören die Umsetzung von Qubits für Quanten­computer sowie photonische Bau­elemente im Frequenz­bereich von Gigahertz (GHz) bis Terahertz (THz).

Geschichtete Hoch­temperatur­supra­leiter wie Kuprate – aufgebaut aus sich abwechselnden supra­leitenden und isolierenden Schichten – sind Stapel von Josephson-Kontakten im Nano­maßstab. In diesen Materialien tritt supra­leitender Transport zunächst innerhalb der Kupfer-Sauerstoff-Ebenen auf. Drei­dimensionale Supral­eitung entwickelt sich dann durch Josephson-Tunneln in senkrechter Richtung zu den Ebenen.

Analog zu den Maxwell­gleichungen in der Elektro­dynamik, deren Zeit- und Orts­abhängigkeit zu elektro­magnetischen Wellen führt, führen die Josephson-Beziehungen zu Josephson-Plasmawellen. In Kupraten besitzen diese Wellen Frequenzen im THz-Bereich und können daher mit konven­tioneller THz-Spektro­skopie untersucht werden. Das Team um Andrea Cavalleri verwendete nun THz-Strahlung, um Josephson-Plasma­wellen in mit Barium dotiertem Lanthan-Kupferoxid zu untersuchen. Über die Reflexion eines Abfrage­pulses konnten Sie Schwingungen mit einer Frequenz von etwa einem halben THz nachweisen. „Als wir den Supraleiter mit unseren schwachen Abfrage­pulsen bestrahlten, konnten wir Oszil­lationen des reflek­tierten Feldes mit einer bestimmten Frequenz, der Josephson-Plasma­frequenz, beobachten“, sagt Srivats Rajasekaran, Postdoktorand am MPSD in Hamburg.

Da Josephson-Plasma­wellen den Josephson-Beziehungen unterliegen, sind sie von Natur aus nichtlinear. Nun brachten die Forscher diese Josephson-Plasma­wellen mittels eines zusätz­lichen, intensiven THz-Anregungs­pulses mit sehr großen Feldstärken von bis zu 100 kV/cm in einen hochgradig nicht­linearen Bereich. Eine derartig starke Anregung wurde durch die Ausnutzung jüngster Fortschritte in der THz-Techno­logie ermöglicht. In diesem Bereich ließ sich die Verstärkung der Josephson-Plasma­welle experimentell beobachten. „Der Reflexions­grad der Probe wurde größer als 100 Prozent und darüber hinaus wurde der Absorptions­koeffizient negativ. Dies sind klare Anzeichen für Verstärkung innerhalb des Materials“, sagt Rajase­karan.

Para­metrische Verstärkung in einfachen oszil­lierenden Systemen, wobei Verstärkung durch die perio­dische Modulation eines bestimmten Parameters erreicht wird, ist ein gut verstandenes Phänomen. Para­metrische Verstärker finden bei der rauschfreien Verstärkung schwacher Signale Anwendung etwa in der Radio­astronomie. „Was die para­metrische Verstärkung angeht, verhält sich ein geschichteter Supraleiter ganz ähnlich wie ein elektrischer Schwingkreis“, sagt Rajasekaran. „Der Josephson-Suprastrom ist wie ein Kabel, das die Platten eines Kondensators verbindet – in diesem Fall die Kupferoxid­schichten.“ Die Induktivität des Suprastroms hängt von der Phasendifferenz zwischen den Ebenen ab, und diese Phasen­differenz ändert sich mit der Zeit und mit der Position innerhalb der Ebene.

„Als wir unseren intensiven Anregungs­puls auf die Probe strahlten, oszillierte die Anregungs-Abfrage-Reaktion mit der doppelten Josephson-Plasmafrequenz. Das entspricht einer perio­dischen Modulation der Induktivität, welche für para­metrische Verstärkung benötigt wird“, fügt Srivats Rajase­karan hinzu. „Dies ist das erste Mal, dass der Effekt para­metrischer Verstärkung durch Licht­bestrahlung für Josephson-Plasmawellen nachgewiesen wurde“, erklärt Andrea Cavalleri.

Verstärkung von Josephson-Plasma­wellen unter Ausnutzung der nicht­linearen Josephson-Bezie­hungen mittels THz-Pulsen fügt sich in eine Reihe mit den vorherigen Arbeiten zu geschich­teten Supra­leitern unter der Leitung von Andrea Cavalleri. In diesen wurde THz-Licht verwendet, um Supraleitung zwischen den Material­ebenen aus- und anzuschalten und um supraleitende Solitonen zu erzeugen. Darüber hinaus hat die vorliegende Arbeit Auswir­kungen auf die Kontrolle von Fluktua­tionen des Suprafluids. „Die Möglichkeit, das Suprafluid eines geschichteten Supra­leiters parametrisch zu kontrol­lieren, könnte letztendlich ein Werkzeug zur Stabi­lisierung fluk­tuierender Supra­leitung liefern, vielleicht sogar bei Tempera­turen oberhalb der kritischen Temperatur“, schließt Andrea Cavalleri.

MPSD / JOL