06.12.2010

Triplett-Supraleitung experimentell nachgewiesen

Die theoretische Vorhersage der Existenz von Cooper-Paaren mit parallelen Spins konnte erstmals bestätigt werden.

Die theoretische Vorhersage der Existenz von Cooper-Paaren mit parallelen Spins konnte erstmals bestätigt werden.

Forschern der Ruhr-Universität Bochum, der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und der Universität Santa Barbara (USA) ist es erstmals gelungen nachzuweisen, dass es Elektronen-Paare gibt, so genannte Cooper-Paare, die eine parallele Ausrichtung ihres Drehimpulses (Spins) haben. Die Existenz dieser Triplett-Cooper-Paare war bisher nur theoretisch vorhergesagt worden.

Abb.: Aufsicht auf ein fertiges Tunnel-Element und darunter der schematische Aufbau der Schichtabfolgen im Inneren des Bauelements. Die superleitenden Schichten sind grau markiert und bestehen aus dem Metall Niob. Zwischen den supraleitenden Schichten sitzen normalleitende und ferromagnetische Barrieren, durch die die Cooper-Paare durch tunneln müssen. Entscheidend ist die ferromagnetische Legierungsschicht (Heusler), die nur die Triplett-Cooper-Paare durchlässt. (Bild: RUB)

Supraleitung entsteht durch Cooper-Paare, die gemeinsam und „widerstandslos“ durch das Metall wandern. In jedem Cooper-Paar sind die Elektronen so angeordnet, dass ihr Gesamtspin null wird. Dieser Effekt, den man nur in Supraleitern findet, heißt Singulett-Zustand. Bringt man Supraleiter in Kontakt mit Ferromagneten, dann werden die Cooper-Paare auf kürzester Strecke aufgebrochen und der Supraleiter wird zum Normalleiter, Cooper-Paare in einem Singulett-Zustand können in einem Ferromagneten nicht im überleben. Forscher haben jedoch eine neue Art von Cooper-Paaren theoretisch vorausgesagt, die eine bessere Überlebenschance in Ferromagneten haben. In diesen Cooper-Paaren sind die Spins parallel ausgerichtet und haben damit einen endlichen Drehimpuls mit dem Wert 1. Da dieser Drehimpuls drei Orientierungen im Raum haben kann, wird er auch Triplett-Zustand genannt. „Offensichtlich gibt es immer einen gewissen, kleinen Anteil von Cooper-Paaren, die im Triplett-Zustand sind, aber schnell wieder in den Singulett-Zustand übergehen“, erklärt Kurt Westerholt von der Universität Bochum. „Die Herausforderung war, diese Triplett-Cooper-Paare experimentell nachzuweisen.“

Mit Supraleitern kann man hoch empfindliche Detektoren von Magnetfeldern herstellen, mit denen sich sogar Magnetfelder nachweisen lassen, die von Gehirnströmen stammen. Diese Detektoren heißen SQUID (superconducting quantum interference device) – das sind Bauelemente, die supraleitende Quanteneigenschaften ausnützen. Der zentrale Teil in diesen Bauelementen sind so genannte Tunnelbarrieren, bestehend aus einer Abfolge von supraleitender Schicht, Isolator und wieder supraleitender Schicht. Ein Cooper-Paar kann eine sehr dünne Isolatorschicht mittels Tunneleffekt überwinden. Tunneln viele Cooper-Paare, dann bilden sie einen Tunnelstrom. „Natürlich darf man die Barriere nicht zu dick machen, sonst versiegt der Tunnelstrom. Ideal sind ein bis zwei Nanometer Dicke“, so Hermann Kohlstedt von der Universität Kiel.

Ersetzt man einen Teil der Tunnelbarriere durch eine ferromagnetische Schicht, werden die Cooper-Paare noch in der Barriere aufgebrochen und erreichen den Supraleiter auf der anderen Seite nicht. Der Tunnelstrom nimmt drastisch ab. Triplett Cooper-Paare können jedoch viel besser durch die ferromagnetische Barriere tunneln. Wenn es gelingt, einen Teil der Singulett-Cooper-Paare in Triplett-Cooper-Paare umzuwandeln, dann sollte der Tunnelstrom wesentlich stärker sein und durch eine dickere ferromagnetische Schicht durchkommen. Genau das haben die Physiker in Bochum und Kiel getestet. Sie ließen die Cooper-Paare durch ferromagnetische Barrieren laufen, die bis zu 10 Nanometer dick waren. Damit konnten sie zum einen experimentell nachweisen, dass es Triplett-Cooper-Paare gibt, zum anderen konnten sie zeigen, dass der Tunnelstrom größer ist als für Singulett-Cooper-Paare in konventionellen Tunnelkontakten.

Ruhr-Universität Bochum / AL

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