Neue Wege ohne Widerstand

Quantencomputer sollen künftig eine Reihe wichtiger Rechenaufgaben in Wissenschaft und Wirtschaft übernehmen. Wenn es erst einmal gelingt, leistungsfähige Quantencomputer zu bauen, werden sie – so hoffen die Forscher – die Materialforschung, Chemie und Pharmazie enorm beflügeln. Neuartige Supraleiter gelten als äußerst vielversprechende Kandidaten, um die zahlreichen noch bestehenden technologischen Hürden auf dem Weg zu rechenstarken und robusten Quantencomputern zu überwinden. Sie könnten ein Schlüssel zu einer neuartigen Elektronik werden. Deshalb geht unter den Forschern schon der Spruch um: „Wenn das 20. Jahrhundert das Zeitalter der Halbleiter war, könnte das 21. Jahrhundert das Zeitalter der Supraleiter werden.“

Supraströme in der Einbahnstraße

Fundamentale Bauteile in der Elektronik sind Dioden. Sie lassen Strom nur in eine Richtung passieren und erlauben es dadurch, einen Wechselstrom in einen Gleichstrom zu verwandeln – sie sind sogenannte Gleichrichter. „Jahrzehntelang war es Konsens in der Forschung, dass man aus Supraleitern keine Diode bauen könne“, berichtet Christoph Strunk, Professor für Festkörperphysik an der Universität Regensburg. „Denn Supraleiter zeichnen sich ja gerade dadurch aus, dass sie Strom widerstandsfrei leiten.“ Und wenn der Strom in eine Richtung völlig frei fließen kann, dann sollte das auch in der anderen Richtung gelten – ähnlich wie auch der Strom in einem Metall in beide Richtungen fließen kann.

Deshalb war es eine Überraschung, als es in den letzten zwei Jahren zwei Teams unabhängig voneinander gelang, eine supraleitende Diode zu konstruieren – sowohl den Regensburgern Forschern um Christoph Strunk als auch einem Team um Stuart Parkin am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle. Der Clou bei der Entwicklung dieses Gleichrichters: Damit schafften es die Forscher erstmals, eine Idee aus der Halbleitertechnik in etwas veränderter Form in die Supraleitung zu übertragen. Bei einer gewöhnlichen Halbleiterdiode nutzt man eine Kontaktstelle zwischen zwei unterschiedlichen Materialien, von denen eines einen Überschuss an Elektronen aufweist, während es dem anderen an Elektronen mangelt. Statt – wie bei herkömmlichen Dioden – auf einer Asymmetrie durch zwei verschiedene Materialien beruhen die Suprastromdioden auf einer speziellen, kristallinen Kontaktschicht, die eine Asymmetrie auf atomarer Ebene aufweist: Jede Elementarzelle des Kristalls enthält zwei verschiedene Atomsorten – hier Indium und Arsen –, die asymmetrisch angeordnet sind.

Um eine supraleitende Diode zu bauen, war daher eine spezielle Kontaktstelle zwischen zwei Supraleitern erforderlich – doch diese durfte die Supraleitung nicht zu stark stören. Es gibt schon seit Langem sogenannte Josephson-Kontakte – eine Entwicklung, für die der britische Physiker Brian Josephson 1973 den Nobelpreis erhalten hat. Ein solcher Kontakt ist eine Verbindung zwischen zwei Supraleitern, die durch eine feine Schicht eines nicht-supraleitenden Materials voneinander getrennt sind. Da die Kontaktschicht sehr dünn ist, können die Elektronen durch diese Barriere hindurchgehen, ohne dass der Suprastrom – der widerstandsfreie elektrische Strom – vollständig unterdrückt wird. Solche Josephson-Kontakte kommen aufgrund ihrer besonderen elektronischen Eigenschaften nicht nur in hochpräzisen Messgeräten zum Einsatz, sondern sie sind auch zentrale Bausteine für Quantencomputer, die auf der Basis von Mikrowellen arbeiten.

Suprastrom in der Einbahnstraße

Der Bau einer supraleitenden Diode wurde nun dadurch möglich, dass an der Kontaktstelle ein nur wenige Atomlagen dünnes Material mit speziellen Quanteneigenschaften zum Einsatz kam. Bringt man die Suprastrom-Diode in ein Magnetfeld, so hat sie aufgrund der asymmetrischen Kontaktschicht die Eigenschaft, in der Durchlassrichtung supraleitend zu sein – während sie in der Gegenrichtung normalleitend ist. „Eine solche supraleitende Diode ist bereits eine sehr wichtige Entwicklung für die künftige Elektronik“, sagt Strunk. „Noch interessanter ist es natürlich, statt einer Einbahnstraße für supraleitenden Strom eine Art Ampel zu haben, mit der sich die Stromrichtung beliebig hin und her schalten lässt.“

Hierzu arbeiteten die Regensburger Physiker mit der Arbeitsgruppe von Michael J. Manfra an der Purdue University in West Lafayette (USA) zusammen. Die US-amerikanischen Forscher schafften es, zwei unterschiedliche Materialien in hoher Reinheit und ohne störende chemische Verunreinigungen – beispielsweise Oxide an der Grenzfläche – miteinander zu verbinden. „Das war einerseits Aluminium und andererseits Indiumarsenid“, erläutert Strunk. Das Aluminium ist bei sehr niedrigen Temperaturen von rund einem Grad über dem absoluten Nullpunkt supraleitend, während das Indiumarsenid für eine Brechung der Symmetrie beim Stromtransport verantwortlich ist. Diese beiden unterschiedlichen Materialien konnte die Gruppe um Manfra mit atomarer Präzision und in geordneter Struktur vereinen.

Das Ergebnis waren spezielle Josephson-Dioden, die sich mithilfe eines äußeren Magnetfeldes hin und her schalten lassen. Unterhalb einer bestimmten Feldstärke lässt die Diode den Suprastrom nur in die eine Richtung hindurch, oberhalb dieser Feldstärke jedoch nur in die andere Richtung. Interessanterweise wurde dieser Effekt schon vor rund zehn Jahren theoretisch vorhergesagt. Aber erst jetzt ließ er sich im Labor nachweisen. Dazu führten die Forscher eine ganze Reihe von Tests durch. Unter anderem verbanden sie viele dieser Dioden zu einer langen Kette und maßen deren Induktivität – eine elektrische Eigenschaft, die in einem stromdurchflossenen elektrischen Leiter aufgrund des ihn umgebenden und durch den Stromfluss erzeugten Magnetfeldes hervorgerufen wird. Die Ergebnisse der experimentellen Tests stimmten hervorragend mit den Vorhersagen überein.

„Solche schaltbaren Supra-Dioden lassen sich auch sehr kompakt bauen und in Chips integrieren“, sagt Strunk. „Dadurch kann man sie in bestehende Quantencomputer-Elektronik einbauen, beispielsweise zum Steuern von Quantensignalen in mikrowellenbasierten Quantencomputern.“ Die schaltbaren Supra-Dioden eignen sich zwar nur für kleine Stromstärken und nicht für Starkstrom-Anwendungen – doch der Effekt ist groß und lässt sich damit sehr gut zur Kontrolle von Signalen einsetzen. Die Forscher überlegen auch schon, ob sie von der giftigen Materialkombination Indiumarsenid auf die ungiftigen Elektronik-Standardsubstanzen Silizium und Germanium umsteigen. Denn diese Halbleitermaterialien vertragen sich besser mit industriellen Anwendungen.

Atom für Atom zusammenfügen

Doch die Supraleitung wird auch auf der atomaren Ebene erforscht. So hat ein deutsch-schweizerisches Wissenschaftlerteam eine neuartige Methode entwickelt, um exotische Supraleiter mit exotischen mikroskopischen Eigenschaften herzustellen. „Das Ziel unserer Forschung ist es, supraleitende Materialien zu entwickeln, die spezielle Quanteneffekte hervorbringen“, sagt Titus Neupert, Professor für theoretische Festkörperphysik an der Universität Zürich.

Daran arbeitet seine Gruppe zusammen mit Forscherkollegen vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle, der Universität Duisburg-Essen, der Universität Würzburg und dem Forschungszentrum Jülich. „Wir erzeugen eine atomar dünne Schicht aus einem ungewöhnlichen Supraleiter“, berichtet Neupert. Dazu tragen die Forscher auf eine glatte Oberfläche aus supraleitendem Niob winzige Rechtecke oder Rhomben aus Chrom-Atomen auf. Chrom selbst ist nicht supraleitend, sondern magnetisch. Für gewöhnlich behindern Magneten jedoch die Supraleitung.

„Aber weil das Chrom nur atomar dünn ist, können die supraleitenden Elektronen aus dem Niob auch in das Chrom hineintunneln“, erklärt der Wissenschaftler. „Dadurch fließt dann auch in dem eigentlich nicht supraleitenden Material ein Suprastrom, der aufgrund der magnetischen Eigenschaften des Chroms besondere Eigenschaften annimmt.“ Und diese außergewöhnlichen Quantenzustände, die unter anderem an den Rändern der Chrom-Flächen entstehen, gelten als spannende Kandidaten für besonders robuste Quantenbits – die elementaren Recheneinheiten von Quantencomputern.

Bislang hat die Entwicklung von Quantencomputern vor allem damit zu kämpfen, dass Quantenzustände sehr fragil sind und sich deshalb nur äußerst widerwillig zu größeren Rechnersystemen zusammenschalten lassen. Deshalb setzen einige Forschungsgruppen für die Entwicklung von Quantenbits auf neuartige, vergleichsweise stabile Quantenzustände, wie sie auf ungewöhnlichen supraleitenden Materialien wie dem aus den Laboren in Deutschland und der Schweiz auftreten.

Zum Positionieren der Chrom-Atome diente den Forschern dort ein Rastertunnelmikroskop mit einer beweglichen Spitze. Mithilfe eines elektrischen Stromimpulses lassen sich damit einzelne Atome aufgreifen und wieder absetzen. „Im Prinzip ist diese Technologie nicht neu, aber unseren Kollegen ist es nun erstmals gelungen, auf diese Weise gezielte zweidimensionale Anordnungen von Atomen auf einem Supraleiter zu erzeugen“, erklärt Neupert.

Besondere Quantenzustände

Je nachdem, ob die Chrom-Atome rechteckig oder rautenförmig auf dem Niob lagen, zeigten sich bei den Experimenten unterschiedliche elektronische Eigenschaften. „Dabei hatten wir ein hervorragendes Zusammenspiel mit unseren Kollegen aus der Experimentalphysik“, freut sich Neupert. „Wenn diese eine Messung gemacht haben, konnten wir sie gleich interpretieren und die nächsten Versuche vorschlagen.“

Auch da musste die ganze Apparatur bis knapp über den absoluten Temperatur-Nullpunkt gekühlt werden. Vor allem bei den Rhomben zeigten sich an den gegenüberliegenden Ecken dann interessante Quantenzustände. „Wir wollen diese und ähnliche Systeme noch genauer untersuchen, denn die Effekte sind noch zu klein, um sie klar messen zu können“, sagt Neupert. „Aber nach der Theorie könnten hier Quantenzustände auftreten, bei denen die gegenüberliegenden Seiten des Rhombus miteinander verschränkt sind.“ Das könnte besonders robuste Quantenzustände mit sich bringen, die sich in Quantencomputern oder auch bei Quantensimulatoren einsetzen ließen.

Wie diese Beispiele belegen, bieten Supraleiter also nicht nur eine Möglichkeit, elektrischen Strom nahezu verlustfrei zu transportieren. Vielleicht noch interessanter als das sind die vollkommen neuen technologischen Möglichkeiten, die sie für eine künftige, neue Form der Elektronik sowie für das Quantencomputing eröffnen. Man darf gespannt sein, ob die Supraleitung tatsächlich eines Tages die bislang dominierende Halbleitertechnik als Fundament des Informationszeitalters ablösen wird.

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