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Ein Quantensprung zu Supraleiterdioden

In der Forschung wurde ein Weg gefunden, Dioden aus Supraleitern herzustellen. Diese neuartigen Bauelemente, die bei viel niedrigeren Betriebstemperaturen als Halbleiterdioden arbeiten, besitzen das Potenzial, in der Quantentechnologie zum Einsatz zu kommen.

Grundlagenforschung

Ein internationales Forschungsteam hat aufgezeigt, wie mit einer Heterostruktur aus Supraleitern und Magneten Strom erzeugt werden kann, der nur in eine Richtung fließt, wie dies bei Halbleiterdioden der Fall ist. In ihrer Studie, die von den EU-finanzierten Projekten SUPERTED, TERASEC, SuperGate und SuperCONtacts unterstützt wurde, wiesen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach, dass die neuartigen Supraleiterdioden bei deutlich niedrigeren Temperaturen arbeiten als ihre Halbleiter-Gegenstücke, was für die Verwendung in der Quantentechnologie vorteilhaft ist. Dioden sind elektronische Bauteile, die elektrischen Strom in nur eine Richtung fließen lassen, während sie dies in der umgekehrten Richtung verhindern. Sie sind in vielen Geräten zu finden, die heute benutzt werden, darunter Funkempfänger, Temperatursensoren und Photovoltaikzellen. Solche Dioden sind auf die elektronischen Eigenschaften von Halbleitersystemen angewiesen. Aufgrund ihrer großen Energielücke funktionieren Halbleiter jedoch nicht bei den extrem niedrigen Temperaturen unter Kelvin, die für kryogene Elektronik und ultraempfindliche Detektion bei zukünftigen Quantentechnologien benötigt werden. Die Energielücke eines Halbleiters ist die Mindestenergie, die erforderlich ist, um ein Elektron anzuregen, das sich in einem (an ein Atom) gebundenen Zustand befindet, damit es elektrischen Strom leiten kann. Im Vergleich zu Halbleitern verfügen Supraleiter über eine kleinere Energielücke. Dadurch und durch ihre geringe Impedanz sind Supraleiter ideale Kandidaten für den Einsatz in kryogenen Dioden.

Symmetriebrechung

Wie in einer Pressemitteilung auf „Mirage News“ berichtet wird, ist Forschenden zwar bereits seit Jahrzehnten die Existenz einer solchen Lücke bekannt, jedoch war die „diodenähnliche Eigenschaft“ bisher noch nicht beobachtet worden. Denn um eine supraleitende Diode zu erzeugen, muss die so genannte Elektron-Loch-Symmetrie gebrochen werden – die normalerweise robuste Symmetrie, die sich durch Strom-Spannungs-Eigenschaften des Supraleiter-Metallkontakts auszeichnet. Das Forschungsteam verdeutlicht nun, wie diese Symmetrie mit Hilfe eines ferromagnetischen Isolators gebrochen werden kann, der in geeigneter Weise im Übergang platziert wird. Dies ebnet den Weg für Quantentechnologien, die auf supraleitenden Materialien beruhen und bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten. „Ich glaube, dass diese Entdeckung erfolgversprechend für verschiedene Aufgaben in der Quantentechnologie ist, wie etwa die Stromgleichrichtung oder die Strombegrenzung“, bemerkt der Hauptautor der Studie, Dr. Francesco Giazotto vom Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) in Italien, dem Projektträger und Koordinator der Projekte TERASEC und SuperCONtacts sowie Partner für die Projekte SUPERTED und SuperGate. Dr. Giazotto ist Forscher am Istituto Nanoscienze (NANO) des CNR. Erstautor Dr. Elia Strambini, ebenfalls vom CNR NANO, beschreibt die Entdeckung der Diodenfunktionalität als „eine angenehme Überraschung, die der gründlichen Charakterisierung der SUPERTED-Proben zu verdanken ist“. Er ist der Forscher, dem dies zuerst auffiel. „Diese Entdeckung zeugt von der Kraft der Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Forschungsrichtungen, von der Materialwissenschaft über die supraleitende Elektronik bis hin zur Theorie“, kommentiert Mitautor Prof. Tero Heikkilä von SUPERTED (Thermoelectric detector based on superconductor-ferromagnet heterostructures), Projektkoordinator an der Universität Jyväskylä in Finnland. „Ohne europäische Unterstützung könnte eine solche Zusammenarbeit nicht stattfinden.“ Obwohl die Forschung hauptsächlich von SUPERTED unterstützt wurde, erhielt sie auch teilweise Finanzmittel von TERASEC (THz imaging technology for public security), SuperGate (Gate Tuneable Superconducting Quantum Electronics) und SuperCONtacts (Solid state diffusion for atomically sharp interfaces in semiconductor-superconductor hybrid structures). Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht. Weitere Informationen: SUPERTED-Projektwebsite TERASEC-Projekt SuperGate-Projekt SuperCONtacts-Projekt

Schlüsselbegriffe

SUPERTED, TERASEC, SuperGate, SuperCONtacts, Supraleiter, Diode, Quanten, Halbleiter, Strom

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