Premiere für supraleitende Diode ohne äußeres Magnetfeld

Supraleiter sind der Schlüssel zum verlustfreien Stromfluss. Die Realisierung supraleitender Dioden ist jedoch erst seit kurzem ein wichtiges Thema der Grundlagenforschung. Einem internationalen Forscherteam um den theoretischen Physiker Mathias Scheurer von der Universität Innsbruck ist nun ein Meilenstein gelungen: die Realisierung eines supraleitenden Diodeneffekts ohne äußeres Magnetfeld und damit der Nachweis der Vermutung, dass Supraleitung und Magnetismus koexistieren. Sie berichten darüber in Nature Physics.

Man spricht von einem supraleitenden Diodeneffekt, wenn sich ein Material in der einen Stromflussrichtung wie ein Supraleiter und in der anderen wie ein Widerstand verhält. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Diode weist eine solche supraleitende Diode einen völlig verschwindenden Widerstand und somit keine Verluste in Durchlassrichtung auf. Dies könnte die Basis für zukünftige verlustfreie Quantenelektronik bilden. Den Diodeneffekt gelang Physikern erstmals vor etwa zwei Jahren, allerdings mit einigen grundlegenden Einschränkungen. „Damals war der Effekt sehr schwach und wurde durch ein externes Magnetfeld erzeugt, was für mögliche technologische Anwendungen sehr nachteilig ist“, erklärt Mathias Scheurer vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. Die neuen Experimente von Experimentalphysikern der US-amerikanischen Brown University, die in der aktuellen Ausgabe von Nature Physics beschrieben werden, kommen ohne externes Magnetfeld aus. Neben den genannten anwendungsrelevanten Vorteilen bestätigen die Experimente eine zuvor von Mathias Scheurer aufgestellte These: Supraleitung und Magnetismus koexistieren nämlich in einem System aus drei gegeneinander verdrehten Graphenschichten. Das System erzeugt somit praktisch ein eigenes internes Magnetfeld, wodurch ein Diodeneffekt entsteht. „Der von Kollegen der Brown University beobachtete Diodeneffekt war zudem sehr stark. Außerdem kann die Diodenrichtung durch ein einfaches elektrisches Feld umgekehrt werden. Zusammengenommen macht dies Trilayer-Graphen zu einer so vielversprechenden Plattform für den supraleitenden Diodeneffekt“, verdeutlicht Mathias Scheurer, der dieses Jahr einen ERC Starting Grant für seine Forschung zu zweidimensionalen Materialien, insbesondere Graphen, erhalten hat.

Vielversprechendes Material Graphen

Der in Nature Physics beschriebene Diodeneffekt wurde auch mit Graphen erzeugt, einem Material, das aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die in einem Wabenmuster angeordnet sind. Das Stapeln mehrerer Schichten Graphen führt zu völlig neuen Eigenschaften, darunter die Fähigkeit von drei gegeneinander verdrehten Graphenschichten, elektrischen Strom verlustfrei zu leiten. Die Tatsache, dass in diesem System ein supraleitender Diodeneffekt ohne externes Magnetfeld existiert, hat große Auswirkungen auf die Untersuchung des komplexen physikalischen Verhaltens von verdrilltem dreischichtigem Graphen, da es die Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus demonstriert. Dies zeigt, dass der Diodeneffekt nicht nur technologisch relevant ist, sondern auch das Potenzial hat, unser Verständnis grundlegender Prozesse in der Vielteilchenphysik zu verbessern. Die theoretischen Grundlagen dazu wurden bereits in einer anderen hochrangigen Publikation veröffentlicht.

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