Licht-Tsunami im Supraleiter

Bei ihrem jüngsten Experiment untersuchten Prof. Andrea Cavalleri vom Max-Planck Institut für die Struktur und Dynamik der Materie am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg und Dr. Michael Gensch vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf mit weiteren Kollegen vom HZDR, aus Großbritannien und Japan, ob und wie man die Supraleitung gezielt kontrollieren kann.

Das Ziel ihrer Forschungen ist, supraleitende Materialien für neue Technologien besser nutzbar zu machen, beispielsweise für die Verarbeitung von Informationen. Dazu ist es besonders wichtig, die Sprungtemperatur mit einem besseren Verständnis der zugrundeliegenden Phänomene zu erhöhen, wobei Sprungtemperatur bedeutet, dass Materialien unterhalb dieses Wertes supraleitend sind. Die meisten Supraleiter funktionieren auch heute nur bei sehr tiefen Temperaturen.

Moderne Hochtemperatur-Supraleiter sind typischerweise Festkörper, die aus einem Stapel dünner Schichten aufgebaut sind, ähnlich wie die Seiten in einem Buch. Die Schichten sind leitfähig und transportieren Strom. Von Schicht zu Schicht kann jedoch bei Raumtemperatur kein Strom fließen, weil sich die Elektronen, die für den Stromfluss verantwortlich sind, nur in der jeweiligen Schicht frei bewegen können.

Wird nun solch ein Schichtstapel tief genug gekühlt, setzt Supraleitung entlang aller Richtungen ein. Doch es gibt einen Unterschied: Während die Elektronen in der Schicht einfach ohne Verluste fließen, können die Elektronen sich nun auch von Schicht zu Schicht bewegen, indem sie durch die isolierenden Zwischenbereiche „tunneln“. Dr. Gensch erläutert: „Schon die Geometrie legt nahe, dass es sich innerhalb der Schicht und zwischen den Schichten um andere Mechanismen von Supraleitung handeln muss. Uns hat interessiert, wie die Elektronen diese Eigenschaft vertikal von Schicht zu Schicht transportieren bzw. ob wir diesen Transport kontrollieren können, ohne die Supraleitung in den horizontalen Schichten zu stören.“

Für ihre Experimente nutzten die Forscher einen der beiden Freie-Elektronen-Laser (FELBE) im HZDR, der Laserblitze einer bestimmten, frei einstellbaren Wellenlänge zwischen dem Infrarot und den Mikrowellen erzeugt. Wenn solch ein kurzer Terahertz-Blitz in der richtigen Frequenz die Materialschichten des Supraleiters durchdringt, schaltet er die Supraleitung sehr gezielt und lokal ab, indem er direkt die Tunneleigenschaften der Elektronen zwischen den supraleitenden Schichten ändert. Im Detail erzeugt das Licht ein Paar von entgegengesetzt drehenden Wirbelströmen, die normal leitend sind.

Diese Wirbel bewegen sich dann mit dem Licht durch den Supraleiter. Es formt sich eine sogenannte Soliton-Welle. Das besondere dieser Wellen: Sie behalten unabhängig von Störstellen im Supraleiter immer ihre Form. Dies ist vergleichbar mit dem Verhalten bekannter Soliton-Wellen – wie beispielsweise Tsunamis –, deren Form auch nicht durch Versetzungen oder Unebenheiten am Boden beeinflusst wird.

Die sich durch den Supraleiter bewegenden Wirbel ändern auch die optischen Eigenschaften des Materials – es wird ein wenig durchsichtig. Zwar nicht für sichtbares Licht, aber für Wellenlängen ganz in der Nähe der Terahertz-Strahlung. Die Laserblitze sind jeweils nur einige Pikosekunden, also billionstel Teile einer Sekunde, lang, sodass die Wissenschaftler alle Vorgänge – wie das Aufkommen der Wirbel und deren Soliton-Bewegung – direkt auf dieser sehr schnellen Zeitskala beobachten können. Ähnliches war der Gruppe um Prof. Cavalleri im Prinzip schon einmal vorher gelungen. Allerdings ließ sich die Supraleitung zwischen den Schichten da nur sehr schnell hintereinander komplett aus- und wieder anschalten. Das Experiment in Dresden konnte nun erstmalig die Supraleitung sehr gezielt und vor allem auch lokal abschalten – und diesen Zustand fast zehnmal so lange stabilisieren.

Insbesondere erwarten die Physiker durch die lichterzeugten Wirbel im Supraleiter eine Reihe neuer Anwendungen. Da sie sich durch den Kristall ja wie beim Tsunami unabhängig von Störungen bewegen, eignen sich diese Wirbel hervorragend, um Informationen darin zu speichern und zu transportieren. Ganz ähnlich wie bei Soliton-Wellen verläuft etwa auch der Informationstransport in der DNA. Die in dem Experiment gefundene und demonstrierte Kontrolle der Wirbel mit Laserlicht lässt die Physiker um Prof. Cavalleri jedenfalls schon von neuen Möglichkeiten der Informationsverarbeitung in Supraleitern träumen.

Supraleiter im Dauerfeuer

Intensive Pulse im unsichtbaren Terahertz-Bereich (0,1 – 10 THz) wecken seit einigen Jahren ein enormes Interesse bei Wissenschaftlern, die sogenannte komplexe Materialien wie Hochtemperatur-Supraleiter untersuchen. Der Grund dafür sind die besonderen Eigenschaften dieser langwelligen Strahlung, deren Wellenlängen zwischen 0,03 und drei Millimetern liegen. Erst seit einigen Jahren stehen dafür ausreichend starke Quellen zur Verfügung. Die stärksten Terahertz-Pulse erzeugen Geräte, die durch Elektronenbeschleuniger angetrieben werden.
Auf einen besonders wichtigen Typ für die Materialwissenschaften hat sich das HZDR im ELBE genannten Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen spezialisiert. Während andere Geräte nach einer kleinen Serie superkurzer Laserblitze eine Pause einlegen müssen, können die ELBE-Quellen auf Dauerfeuer bleiben. Erst diese kontinuierliche Abfolge von Pulsen aber ermöglicht die Genauigkeit, die Forscher wie Dr. Gensch und ihre Messgäste wie Prof. Cavalleri für ihre Analysen brauchen. Um zukünftig den ganzen Spektralbereich bis hin zu 0,1 Terahertz bzw. drei Millimetern Wellenlänge mit noch intensiveren Pulsen abzudecken, baut das HZDR unter der Leitung von Dr. Gensch eine neue, superradiante Terahertz-Quelle namens TELBE auf. Superradianz bedeutet vereinfacht ausgedrückt, dass äußerst intensives Licht in einem lawinenartig kurzen Prozess entsteht, ohne dass dabei – wie etwa bei einem Freie-Elektronen-Laser – Spiegel als Resonatoren benötigt werden. TELBE wird in den nächsten Jahren mit Unterstützung von Nutzern in Betrieb genommen und getestet. Die Forscher hoffen darauf, damit weitere wichtige Ergebnisse auf dem Gebiet der Materialforschung, aber auch der Lebenswissenschaften, zu erzielen.

Publikation: A. Cavalleri, M. Gensch et al.: „Optical excitation of Josephson plasma solitons in a cuprate superconductor“, in Nature Materials (2013), Online-Publikation vom 24.03.2013, doi:10.1038/nmat3580

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Dr. Michael Gensch
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Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?

Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden fünf Großgeräte mit einzigartigen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

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