Mit Triplett-Paaren zur Supraleitung

Einem internationalen Wissenschaftsteam unter Konstanzer Beteiligung gelang ein Forschungserfolg im Bereich der Supraleitung. Die Physikerinnen und Physiker konnten die Existenz von sogenannten Triplett-Paaren nachweisen und im selben Zuge bestätigen, dass sich spinpolarisierte Ströme – das heißt Ströme mit vorgegebener Elektronenspin-Richtung – durch Supraleiter verlustfrei transportieren lassen.

Die Forschungsergebnisse, die in der aktuellen Ausgabe des renommierten Wissenschaftsjournals Nature Communications veröffentlicht wurden, sind von grundlegender Bedeutung für das Verständnis von Nano-Bauelementen mit Supraleitern und könnten eine wichtige Grundlage für eine künftige Informationsspeicherung und -übertragung ohne Energieverlust bilden.

In der aktuellen Halbleitertechnologie vollzieht sich der Informationstransport durch elektrische Signale, zu deren Erzeugung und Verarbeitung Energie aufgebracht werden muss, die als Wärme wieder abgegeben wird. Dies führt zum Aufheizen der Bauelemente und macht komplexe Kühlungssysteme notwendig.

Weltweit wird deshalb daran geforscht, das Funktionsprinzip radikal zu ändern, indem die Informationsübertragung nicht mehr durch einen Fluss von elektrischer Ladung, sondern durch die Weitergabe magnetischer Ordnung geschieht. Aussichtsreich ist hierfür eine Kombination aus supraleitenden Elementen und magnetischen Phänomenen.

Beide Phänomene, Supraleitung und Magnetismus, sind weit verbreitet, schließen sich aber normalerweise gegenseitig aus. Das liegt daran, dass einzelne Elektronen – resultierend aus ihrem sogenannten Spin – ein magnetisches Moment besitzen, sich also wie winzige Stabmagnete verhalten. Suprastrom wird normalerweise von sogenannten Singulett-Elektronenpaaren getragen, deren Spins jeweils entgegengesetzt gerichtet sind, so dass sie von außen als spinlos, also unmagnetisch erscheinen.

Eine große Resonanz erhielten vor einigen Jahren die Vorhersage und wenig später die Beobachtung, dass Supraströme sich über große Distanzen durch bestimmte Ferromagneten schicken lassen. Physiker vermuteten, dass die spinlosen Singulett-Paare am Übergang vom Supraleiter in den Ferromagneten in spinparallele – somit gleich ausgerichtete – Triplett-Paare umgewandelt werden, die durch den Ferromagneten widerstandsfrei fließen können.

Physikerinnen und Physiker der Universitäten Konstanz, Cambridge (Großbritannien) und Trondheim (Norwegen) konnten nun erstmalig den Nachweis dafür erbringen und damit die Voraussetzung für die Entwicklung von Anwendungen in der supraleitenden Spinelektronik schaffen. Der Nachweis erfolgte durch die Verwendung eines magnetischen Metalls, dessen Spinanordnung durch Anlegen eines Magnetfeldes reversibel von einer Spirale in eine parallele Anordnung umgewandelt werden kann.

Die beiden Doktoranden Simon Diesch aus der Gruppe von Prof. Dr. Elke Scheer (Konstanz) und Angelo di Bernardo aus der Gruppe von Prof. Jason Robinson (Cambridge) beobachteten, dass die durch Rastertunnelspektroskopie gemessene Energieverteilung der Elektronen den Berechnungen der theoretischen Physiker um Prof. Jacob Linder (Trondheim) für Triplett-Paare entspricht. Nur dann, wenn die Anordnung als Spinspirale vorliegt, tritt eine Anomalie der Energieverteilung bei sehr kleinen Spannungen auf. Die Signatur verschwindet, wenn die parallele Anordnung erreicht wird, und taucht wieder auf, sobald die Spinspirale erneut eingestellt wird.

„Damit ist gezeigt, dass Triplett-Paare tatsächlich existieren, was von grundlegender Bedeutung für das Verständnis von nanoskaligen Bauelementen mit Supraleitern ist“, erläutert Elke Scheer und führt weiter aus: „Ebenso folgt, dass sich spinpolarisierte Ströme durch Supraleiter verlustfrei transportieren lassen und Supraleiter somit als Spinquellen oder -senken für spinelektronische Anwendungen dienen können.“

Originalveröffentlichung:
E. Scheer et al.: Signature of Magnetic-Dependent Gapless Odd frequency States at Superconductor/Ferromagnet Interfaces. In: Nature Communications, 2. September 2015
DOI: 10.1038/NCOMMS9053

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Prof. Dr. Elke Scheer
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