Supraleitfähigkeit ohne Magnetfeld nachgewiesen Supraleitfähige Diode ist möglich

Von Sebastian Gerstl

Forschende der TU Delft haben eine einseitige Supraleitung ohne Magnetfelder gefunden – das galt seit der Entdeckung der Supraleitfähigkeit im Jahr 1911 für unmöglich. Der neue Ansatz nutzt 2D-Quantenmaterialien – und soll den Weg zum praktikablen, supraleitenden Rechnen ebnen.

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Konzeptzeichnung: Ein Computerchip, der aus einigen Schichten von Atomen (blaue und weiße Kugeln) besteht, die die Josephson-Diode bilden. Die grünen Kugelpaare stellen supraleitende Elektronenpaare dar, die sich in eine Richtung bewegen, während die orangefarbenen Kugeln normal leitende Einzelelektronen darstellen, die sich in die entgegengesetzte Richtung über die Josephson-Diode bewegen.
Konzeptzeichnung: Ein Computerchip, der aus einigen Schichten von Atomen (blaue und weiße Kugeln) besteht, die die Josephson-Diode bilden. Die grünen Kugelpaare stellen supraleitende Elektronenpaare dar, die sich in eine Richtung bewegen, während die orangefarbenen Kugeln normal leitende Einzelelektronen darstellen, die sich in die entgegengesetzte Richtung über die Josephson-Diode bewegen.
(Bild: Ella Marushenko / TU Delft)

Unidirektionale Supraleitung ohne Magnetfelder ist möglich – zu diesem Ergebnis kommt eine Forschungsgruppe der TU Delft unter Leitung von Professor Mazhar Ali, die eine entsprechende Machbarkeitsstudie im Fachblatt Nature vorgestellt hat. Der vorgestellte 2D-Halbleiter stützt sich auf das Konzept einer Van-der-Waals-Heterostruktur, in diesem Fall basierend auf den auch als Quantenmaterialien bezeichneten Materialien Niobium diselenide (NbSe2) und Triniobiumoctabromid (Nb3Br8) in der Schichtenkombination NbSe2 - Nb3Br8 - NbSe2, und ist in einer Richtung supraleitend und in der anderen normalleitend.

Verglichen mit der Halbleiterdiode„hatten Supraleiter nie ein Äquivalent zu dieser Einweg-Idee ohne Magnetfeld - sie sind enger mit Metallen verwandt sind als Halbleiter, die immer in beide Richtungen leiten und kein eingebautes Potenzial haben“, sagt der Delfter Forschungsleiter Mazhar Ali. Sogenannte Josephson-Übergänge, die wie in der erwähnten Schichtenkombination aufgeführt ein„Sandwich“ aus zwei Supraleitern mit einem nicht-supraleitenden Barrierematerial dazwischen darstellen, hätten dagegen keinen Mechanismus zur Symmetriebrechung.

„Quantenmaterial-Barriere“ eröffnet neue Möglichkeiten

Das Delfter Konzept ersetzt diese nicht-supraleitende Barriere durch eine„Quantenmaterial-Barriere“, die einen„QMJJ“ (quantum material josephson junction; Quantenmaterial-Josephson-Knotenpunkt) bildet. In diesem Fall wird die Barriere mit dem 2D-Material Triniobiumoctabromid errichtet, von dem man in Alis Worten annehme,„dass es einen elektrischen Nettodipol enthält“.

Die aus dieser Herangehensweise gewonnene Struktur nennt Ali de facto, angelehnt an die Josephson-Übergänge, eine„Josephson-Diode“. Eine solche Diode wurde laut der TU Delft schon seit Jahren diskutiert. Bislang war ein solcher Halbleiter noch nicht erreicht worden, in Forschungskreisen war zum Teil sogar umstritten, ob dies wirklich realisierbar wäre. Ali ist sich nun sicher, einen solchen supraleitfähigen 2D-Halbleiter gefunden zu haben.

„Die Josephson-Diode ist das Ergebnis unserer Materialkombination und nicht das Ergebnis von Schmutz, Geometrie oder Benutzerfehlern“, sagte er. Einen Messfehler schließt er daher aus.„Wir haben diesen Effekt gemessen, während wir Magnetfelder unterschiedlicher Stärke anlegten, und konnten zeigen, dass der Effekt bei einem Nullfeld deutlich vorhanden war und bei einem angelegten Feld verschwand.“ Nach Angaben der Universität wurde eine stabile Halbwellengleichrichtung der Rechteckanregung nachgewiesen, so dass kein Zweifel an der prinzipiellen Möglichkeit eines solchen Halbleiters bestehen könne.

Die Arbeit wird in dem in Nature veröffentlichten Artikel„The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure“ beschrieben. Die Arbeit der TU Delft entstand in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, der Princeton University, der Johns Hopkins University und der Shenzhen University zusammen.

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