Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Supraleiter, die von selbst arbeiten

03.12.2012
Physiker der Universitäten Tübingen, Tel Aviv und Kiel entdecken neue Möglichkeiten der Kryoelektronik

Wissenschaftler der Universitäten Tübingen, Tel Aviv und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben erstmals eine neue Art von supraleitenden Elementen – sogenannte -Josephson-Kontakte – theoretisch und experimentell nachgewiesen.

„Supraleitende elektronische Schaltungen arbeiten mit den -Josephson-Kontakten praktisch ‚von selbst’ und kommen ohne komplizierte Steuerlogiken aus“, erläutert Dr. Edward Goldobin von der Universität Tübingen und leitender Wissenschaftler des Gemeinschaftsprojektes. Durch diese verbesserte Funktionalität stehen zum Beispiel in der medizinischen Bildgebung oder für skalierbare Quantencomputer ganz neue Möglichkeiten der Kryoelek-tronik – elektrischen Schaltungen bei ultrakalten Temperaturen – zur Verfügung. Auch neuartige Akkus, die sich nicht entladen, wären jetzt möglich. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

Ein Josephson-Kontakt ist ein quantenmechanisches Bauteil, das aus zwei Supraleitern besteht, die durch eine sehr dünne Barriere von etwa 2 Nanometern (= millionstel Millimeter) getrennt werden. Entsprechend quantenmechanischer Grundsätze „fühlen“ die supraleitenden Elektronen ihre Nachbarn auf der anderen Barrierenseite und verhalten sich kohärent. Das heißt, die Elektronen schwingen auf beiden Seiten der Barriere gewissermaßen im Gleichtakt. Diese quantenmechanische Kohärenz, die über ein ganzes Bauelement oder auch über einen kompletten Mikrochip hinweg aufrecht erhalten werden kann, ermöglicht den Einsatz von Josephson-Kontakten zum Beispiel als präzise Sensoren von Magnetfeldern.
„Jetzt haben wir erstmals verstanden, wie konventionelle und -Kontakte – diese stellen eine ganz spezielle Phase mit dem Wert der Kreiszahl  zur Verfügung – so kombiniert werden können, dass man einen beliebigen Wert  erhalten kann. Und es ist uns gelungen, einen -Kontakt experimentell nachzuweisen“, berichtet Goldobin. Zudem haben die Wissenschaftler entdeckt, dass diese -Josephson-Kontakte sich in zwei Zuständen befinden können: die Supraleiter „synchronisieren“ mit der Phasenverschiebung von entweder + oder dem negativen dieses Werts.

In den Experimenten bei 300 Millikelvin (-273 °C) konnte die Existenz dieser beiden Zustände demonstriert werden. „Wir können experimentell bestimmen, in welchem Zustand der Kontakt ist und wir können ihn kontrollieren, also in den gewünschten Zustand von + oder - schalten. Der Wert der Phasenverschiebung  kann durch Parameter wie die Schichtdicke der Probe gesteuert werden“, so Goldobin.

Damit haben die Wissenschaftler eine wichtige Erkenntnis gewonnen. Denn vor den aktuellen Arbeiten galten Phasen, die ein Josephson-Kontakt ohne Stromfluss annehmen kann, als nicht beliebig änderbar. In einem herkömmlichen Josephson-Kontakt erfolgt die „Synchronisation“ der Elektronenbewegung nämlich gleichphasig, das heißt: ohne Phasenverschiebung.

„Die Nanotechnologie zur Herstellung des -Kontaktes resultiert aus der intensiven Forschung von über einem Jahrzehnt und ist derzeit weltweit einzigartig“, berichtet Dr. Martin Weides, der die nano-strukturierten Proben herstellte. „Das zentrale Element unserer Proben ist die Kontrolle der Schichtmorphologie auf atomarer Skala“, erläutert der Wissenschaftler das Besondere der vorgelegten Arbeit.

Zum wissenschaftlichen Hintergrund
Durch die Kombination der Eigenschaften von konventionellen und -Kontakten haben die Wissenschaftler aus Tübingen, Tel Aviv und Kiel Josephson-Kontakte mit einer beliebigen Phasenverschiebung  zwischen Elektronen in zwei Supraleitern entwickelt. Der Wert von  (0
Der -Kontakt wirkt als eine Batterie, die eine gegebene Phasenverschiebung  (statt einer Spannung wie in einer herkömmlichen Batterie) für eine angefügte supraleitende elektronische Schaltung erzeugt. „Dieser Phasen-Akku kann sich im Gegensatz zu den üblichen Batterien nicht entladen, da sie streuungsfrei und analog zum Fluss supraleitender Ströme wirkt“, erklärt Prof. Roman Mints von der Tel Aviv University.

Publikationen:
[1] E. Goldobin, D. Koelle, R. Kleiner, R.G.Mints, “Josephson junction with magnetic-field tunable ground state”, Phys. Rev. Lett. 107, 227001 (2011).
[2] H. Sickinger, A. Lipman, M. Weides, R. G. Mints, H. Kohlstedt, D. Koelle, R. Kleiner, E. Goldobin, "Experimental evidence of a φ Josephson junction", Phys. Rev. Lett. 109, 107002 (2012).

Kontakt:

Dr. Edward Goldobin
Universität Tübingen
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Physikalisches Institut
Auf der Morgenstelle 14
72076 Tübingen
gold@uni-tuebingen.de

Prof. Dr. Hermann Kohlstedt
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Technische Fakultät
Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik
AG Nanoelektronik
Kaiserstraße 2, 24143 Kiel
hko@tf.uni-kiel.de

Michael Seifert | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-tuebingen.de
http://www.uni-kiel.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Vorstoß ins Innere der Atome
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Quanten-Wiederkehr: Alles wird wieder wie früher
23.02.2018 | Technische Universität Wien

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: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

„Molekularer Schraubstock“ ermöglicht neue chemische Reaktionen

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Internationale Forschungskooperation will Altersbedingte Makuladegeneration überwinden

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics