Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Magnetische Quantenobjekte im "Nano-Eierkarton": PhysikerInnen bauen künstliche Fallen für Fluxonen

25.07.2017

Magnetische Quantenobjekte in Supraleitern, sogenannte "Fluxonen", eignen sich besonders für die Speicherung und Verarbeitung von Datenbits. Computerschaltkreise ließen sich damit mit wesentlich höherer Geschwindigkeit bei viel geringerer Wärmeentwicklung herstellen. PhysikerInnen um Wolfgang Lang an der Universität Wien und ihren KollegInnen an der Johannes-Kepler-Universität Linz ist es nun gelungen, mit einer neuartigen und einfachen Methode einen "Quanten-Eierkarton" herzustellen, in dem hunderttausende Fluxonen stabil und regelmäßig angeordnet werden können. Die Ergebnisse erscheinen im neuen Journal "Physical Review Applied" der renommierten "American Physical Society".

Je schneller Daten in Computern verarbeitet werden, desto größer ist die Wärmeentwicklung, die die Leistungsfähigkeit schneller Computer begrenzt. ForscherInnen versuchen daher seit längerem, digitale Schaltkreise auf der Basis von Supraleitern zu entwickeln – jenen seltsamen Materialien, die Strom völlig verlustfrei transportieren können, wenn sie unter eine gewisse kritische Temperatur gekühlt werden.


Das Prinzip der Herstellung eines "Quanten-Eierkartons" mit einer von den ForscherInnen neu entwickelten maskierten Ionenstrahltechnologie. Das Bild zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme

Copyright: Wolfgang Lang, Universität Wien

Magnetische Quantenobjekte in Supraleitern

Innerhalb eines Supraleiters kann ein Magnetfeld nur in kleinsten quantisierten Portionen existieren, den Fluxonen. Diese eignen sich besonders für die Speicherung und Verarbeitung von Datenbits. In einem homogenen Supraleiter ordnen sich die Fluxonen in einem hexagonalen Gitter an. Mit moderner Nanotechnologie ist es ForscherInnen der Universität Wien und der Johannes-Kepler- Universität Linz nun gelungen, künstliche Fallen für Fluxonen zu bauen und diese damit in andere, vorgegebene Anordnungen zu zwingen.

Die Bedeutung des Nicht-Gleichgewichts

Bisher konnten die Fluxonen in derartigen Fallen nur im thermodynamischen Gleichgewicht beobachtet werden, also in einer gleichförmigen Anordnung. "Würden wir versuchen, zwei Eier in einem Eierkarton übereinander zu stapeln und dafür die benachbarte Vertiefung leer lassen, so würde das Ei schnell herunterrollen und den Gleichgewichtszustand mit genau einem Ei in jeder Vertiefung herstellen", erklärt Wolfgang Lang von der Universität Wien.

Vom Standpunkt der Datenverarbeitung enthält der vollbesetzte Eierkarton aber kaum Information und ist daher unbrauchbar. Viel nützlicher wäre es da, die einzelnen Plätze in einem vorgegebenen Muster mit Eiern zu besetzen. Damit ließe sich zum Beispiel der von Smartphones bekannte QR-Code im Eierkarton darstellen – ganz offensichtlich eine große Menge an Information.

Im Nanobereich ist den ForscherInnen nun ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen, indem sie erstmals einen stabilen Nicht-Gleichgewichtszustand von Fluxonen in einem Gitter aus über 180.000 künstlichen Fallen demonstrieren konnten. Je nach von außen vorgegebenem Magnetfeld ordnen sich die Fluxonen in terrassenförmigen Zonen an, in denen jede Falle entweder kein Fluxon, genau eines, oder sogar mehrere Fluxonen einfängt.

"Auch nach einigen Tagen haben wir noch exakt die gleiche Anordnung von Fluxonen beobachtet – eine für ein Quantensystem überraschende Langzeitstabilität", berichtet Georg Zechner von der Universität Wien als Erstautor der Studie.

Nanostrukturierung von Supraleitern mit Ionenstrahlen

Möglich wurden diese Forschungsergebnisse durch eine neuartige Methode, die von den Linzer und Wiener ForscherInnen gemeinsam mit dem Wiener High-Tech Unternehmen IMS Nanofabrication AG entwickelt wurde. "Maskierte Ionenbestrahlung erlaubt die Herstellung von Nanostrukturen in Supraleitern in einem einzigen Verfahrensschritt, ist zeitökonomisch auf große Flächen anwendbar und daher auch industriell skalierbar und benötigt keine chemischen Prozesse", betont Johannes D. Pedarnig vom Institut für Angewandte Physik der Johannes-Kepler-Universität Linz.

Je nach verwendeter Maske lassen sich damit nahezu beliebige Strukturen in den Supraleiter schreiben. Die WissenschafterInnen planen nun weitergehende Experimente an komplizierteren Nanostrukturen, die den gezielten Transport von Fluxonen von einer zur nächsten Falle demonstrieren sollen. Dies könnte ein weiterer wegweisender Schritt für die Entwicklung von schnellen Computerschaltkreisen auf der Basis von Fluxonen sein.

Publikation in "Physical Review Applied":
"Hysteretic vortex matching effects in high-Tc superconductors with nanoscale periodic pinning landscapes fabricated by He ion beam projection technique":
G. Zechner, F. Jausner, L. T. Haag, W. Lang, M. Dosmailov, M. A. Bodea, J. D. Pedarnig
Phys. Rev. Applied 8, 014021, 21.Juli 2017
doi: 10.1103/PhysRevApplied.8.014021
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.8.014021

Wissenschaftlicher Kontakt
ao. Univ.-Prof. Dr. Wolfgang Lang
Electronic Properties of Materials
Fakultät für Physik
Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
M +43-664-602 77-514 24
wolfgang.lang@univie.ac.at
http://epm.univie.ac.at/

Rückfragehinweis
Mag. Alexandra Frey
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
T +43-1-4277-175 33
M +43-664-602 77-175 33
alexandra.frey@univie.ac.at

Alexandra Frey | Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.univie.ac.at/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern
21.11.2017 | Universität Wien

nachricht ESO-Beobachtungen zeigen, dass der erste interstellare Asteroid mit nichts vergleichbar ist, was wir bisher kennen
21.11.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

Raumfahrtkolloquium: Technologien für die Raumfahrt von morgen

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wasserkühlung für die Erdkruste - Meerwasser dringt deutlich tiefer ein

21.11.2017 | Geowissenschaften

Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern

21.11.2017 | Physik Astronomie

Zentraler Schalter

21.11.2017 | Biowissenschaften Chemie