Leitungen aus supraleitenden Materialien können nicht beliebig verkleinert werden. Vielmehr treten in Leitungen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern spontane Quantenfluktuationen auf, die die Supraleitung zusammenbrechen lassen. Dies setzt der Anwendung der Supraleitung in integrierten elektronischen Schaltkreisen eine untere Grenze. Zu diesem Schluss kommen Physiker der Harvard Universität im US-Bundesstaat Massachusetts in einer in Physical Review Letters veröffentlichten Studie.
Die Physiker um Michael Tinkham überzogen Kohlenstoffnanoröhren mit unterschiedlichen Durchmessern mit einem Gemisch aus Molybdän und Germanium. Dadurch wurden die Kohlenstoffnanoröhren mit Durchmessern über 30 Nanometern (Millionstel Millimetern) supraleitend ? ihr elektrischer Widerstand ging gegen Null. Eine Verkleinerung des Durchmessers der Kohlenstoffnanoröhren unter 30 Nanometer führte jedoch zu einem spürbaren Anstieg des elektrischen Widerstandes ? die Supraleitung brach zusammen.
Die Forscher führen das Zusammenbrechen der Supraleitung in dünnen Leitern auf quantenmechanische Fluktuationen der Wellenfunktion der Cooperpaare zurück. Cooperpaare sind Verbände von jeweils zwei Elektronen, die ohne elektrischen Widerstand durch den Supraleiter wandern können. Die Quantenfluktuationen entstehen durch spontanes Tunneln der Cooperpaare von einem Quantenzustand in einen anderen. Dies führt zu Spannungsstößen im Leiter, und damit steigt dessen elektrischer Widerstand an. Der Leiter ist damit nicht mehr supraleitend.
Obwohl der kritische Durchmesser von 30 Nanometern noch immer viel kleiner ist als der Durchmesser von Leitern in heutigen Computern, ist damit der Kompaktheit von zukünftigen auf Supraleitung basierenden Computern eine untere Grenze gesetzt.
Stefan Maier
