Eine neue Studie des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) hat die Grenzen von Supraleitern aufgebrochen, und die Methode ist überraschend einfach: Sie werden mit elektrischen Impulsen getroffen, die so kurz sind, dass sie kaum registriert werden. Die Technik, die im Bericht detailliert beschrieben wird, sendet kurze Stromimpulse durch das Material schnell genug, um die Unvollkommenheiten zu überwinden, die typischerweise seine Leistung sabotieren. Dadurch können Forscher in die tiefste Quantengrenze blicken, wo Cooper-Paare auseinanderbrechen, und die wahre Natur des Supraleiters enthüllen.
Wie Supraleiter funktionieren
Zu den ungewöhnlichsten Substanzen, die in der Quantenphysik untersucht werden, gehören Supraleiter. Sobald diese Materialien unter eine bestimmte Schwelle gekühlt wurden, verlieren sie jeglichen elektrischen Widerstand. Das bedeutet, dass Strom ungehindert durch sie fließt, ohne in Wärme umgewandelt zu werden.
Der Grund, warum dies funktioniert, ist, dass Elektronen sich zu Cooper-Paaren zusammenfinden. Anstatt unabhängig voneinander zu wandern, bewegen sich diese Paare als Ganzes und verhalten sich wie eine Welle, die durch das Material geht. Dieses Verhalten macht Supraleiter nützlich für leistungsstarke Magnete, hochsensible Detektoren und Quantenschaltkreise.
Es gibt eine Grenze für das Wunder. Supraleitung kann keinen unendlichen Strom tragen. Wenn der Strom zu groß wird, beginnt der supraleitende Zustand, zusammenzubrechen. Der kritische Strom ist der Wert, der uns sagt, wie viel Strom ein Material tragen kann, bevor Widerstand und Energieverlust auftreten.
Warum die üblichen Grenzen nicht ausreichen
Bei Typ-II-Supraleitern stehen Wissenschaftler vor einer besonderen Schwierigkeit. Während Tests der Punkt, an dem der Stromfluss aufhört, nicht mehr die tatsächliche kleinste mögliche Grenze der Supraleitung aufzeigt. Stattdessen beginnt das Versagen tendenziell damit, dass kleine Bereiche, die als Wirbel bekannt sind, zu wandern beginnen.
Magnetischer Fluss kann in kleine Bereiche, die als Wirbel bekannt sind, in das Material eindringen. Diese Bereiche beginnen sich zu bewegen, wenn der Strom zunimmt. Die Bewegung erzeugt Widerstand und Wärme, die schließlich das Ende des supraleitenden Zustands herbeiführen kann.
Es gibt jedoch eine höhere fundamentale Grenze, die als Depairing-Strom bezeichnet wird. „Eine Möglichkeit, sich das vorzustellen, ist, dass der Strom die Phase des kohärenten Quantenzustands des Supraleiters ‚verdreht‘, ähnlich wie man eine Feder aufwickelt“, erklärt Eryin Wang, die Hauptautorin der Studie.
Wenn sich ein Quantenzustand zu weit biegt, treten Instabilitäten auf, und die Cooper-Paare beginnen auseinanderzufallen. Standardmäßige Gleichstrom-(DC)-Transporttests überschreiten diese natürliche Grenze selten, da wandernde Wirbel und Erwärmung typischerweise die Supraleitung zerstören, bevor das Material diese Grenze überhaupt erreicht.
Die Wirbel überholen
Das Team entdeckte eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen. Anstatt einen kontinuierlichen elektrischen Strom anzulegen, sandten sie sehr kurze Impulse.
„Unsere Strategie war es, die Wirbel-Dynamik zu überholen“, sagt Eryin Wang.
Diese rotierenden Störungen können mit einer Geschwindigkeit von zig Kilometer pro Sekunde rasen, bewegen sich aber innerhalb einer einzigen Pikosekunde nur um zig Nanometer weit. Forscher können die Stromdichte auf sehr hohe Werte bringen, indem sie den Strom für ein extrem kurzes Intervall anlegen, wodurch den Wirbeln nicht genügend Zeit bleibt, sich weit zu bewegen oder das Material um sie herum zu erwärmen.
Dieser Ansatz reduziert drastisch den Energieverlust durch Wirbelbewegung, wodurch Wissenschaftler den supraleitenden Zustand näher an sein maximal mögliches Stromniveau bringen können.
Strom nur für Pikosekunden dauern lassen
Das Team erzeugte diese Impulse mit Hilfe einer ultraschnellen elektrischen Transportplattform, die am MPSD entwickelt wurde.
Guido Meier, der ebenfalls an der Studie mitarbeitete, wird zitiert mit den Worten: „Um Strom nur für wenige Pikosekunden an Supraleiter anzulegen, nutzten wir die ultraschnelle elektrische Transportplattform, die wir an unserem Institut entwickeln.“
Grüne Laserpulse mit einer Wellenlänge von 515 Nanometern, die so getaktet sind, dass sie nur 300 Femtosekunden dauern, aktivieren photokondutive Schalter innerhalb des Aufbaus. Die Schalter reagieren, indem sie elektrische Impulse erzeugen, die in nur wenigen Pikosekunden gemessen werden. Diese Impulse bewegen sich entlang eines koplanaren Wellenleiters, bevor sie supraleitende Proben passieren, die nur wenige Mikrometer groß sind.
Zwei Materialien, zwei unterschiedliche Reaktionen
Zwei Materialien wurden von den Forschern auf ihre Eigenschaften untersucht: NbN und YBCO. Diese beiden Substanzen stehen für völlig unterschiedliche Formen der Supraleitung.
- NbN hat einen relativ gleichmäßigen supraleitenden Energieabstand, was Wissenschaftler als s-Wellen-Abstand bezeichnen.
- YBCO hat einen Energieabstand, der stark von der Richtung abhängt, einen d-Wellen-Abstand.
Die beiden Studien zusammen offenbarten, wie die mikroskopische Struktur des supraleitenden Zustands beeinflusst, was unter Anwendung extrem starker, ultraschneller Ströme geschieht.
Die Supraleitung von NbN hielt bei hohen Stromdichten stand, weit über das hinaus, was sein konventioneller DC-Kritikstrom erlauben würde. Das Material blieb stark supraleitend, bis der Strom eine bestimmte Schwelle überschritt. An diesem Punkt änderte sich die Reaktion des Materials abrupt. Diese plötzliche Veränderung deutete darauf hin, dass die Cooper-Paare darin anfingen, auseinanderzufallen.
Das Material YBCO reagierte auf eine andere Weise: anstatt konstant zu bleiben, bis es plötzlich versagt, schwächte sich seine Supraleitung allmählich ab, während der Strom anstieg.
Die Wissenschaftler führen den Unterschied auf die Art und Weise zurück, wie die beiden Materialien aufgebaut sind. In NbN bleibt der supraleitende Energieabstand nahezu gleich, unabhängig davon, in welcher Richtung man ihn misst. In YBCO ändert sich der Abstand stark je nach Richtung und verschwindet entlang bestimmter Pfade vollständig. Diese Anordnung ermöglicht es der Supraleitung in YBCO, sanft zu verblassen, anstatt an einem einzelnen, scharfen Grenzwert zusammenzubrechen.
Was die Ergebnisse zeigen
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Piko-Sekunden-Transport mikroskopische Eigenschaften von Supraleitern aufdecken kann, die konventioneller DC-Transport nicht direkt bereitstellen kann. Andrea Cavalleri, der die Forschung leitet, bringt den Punkt ohne Umschweife auf den Punkt: „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Piko-Sekunden-Transport Zugang zu mikroskopischen Eigenschaften von Supraleitern ermöglichen kann, einschließlich ihrer Gap-Symmetrie.“
Eine größere Auswahl an supraleitenden Materialien muss untersucht werden, bevor Forscher wissen können, wie weit verbreitet dieses Verhältnis ist. Darüber hinaus zeigen diese Ergebnisse, dass sehr kurze elektrische Impulse Arten von supraleitenden Bewegungen aufdecken können, die normalerweise durch langsamere Phänomene wie Wirbelbewegung und Erwärmung verdeckt werden.
Die Arbeit an Zeiträumen, die denen des supraleitenden Zustands selbst ähneln, könnte Forschern neue Wege eröffnen, um diesen zu untersuchen.
Der praktische Nutzen
Dieser Ansatz eröffnet frische Möglichkeiten, zu untersuchen und zu steuern, wie Supraleiter sich auf quantenmechanischer Ebene verhalten. Er bringt zudem verborgene Unterschiede zwischen verschiedenen Materialien ans Licht.
Diese Methode ersetzt herkömmliche DC-Messungen nicht; sie arbeitet vielmehr damit zusammen. Was sie auszeichnet, ist ihre Fähigkeit, Details aufzudecken, die langsamere Messmethoden schlichtweg nicht erfassen können.
Für jeden, der Geräte entwickelt, die auf Supraleitung basieren, ist das Wissen darüber, wie Materialien unter extremen Strömen versagen, der Ausgangspunkt für die Entwicklung von Systemen, die diesen standhalten können.
Die Cooper-Paare offenbaren sich endlich so, wie sie wirklich sind. Die Forschung zeigt, dass Supraleiter deutlich höhere Ströme transportieren können, als herkömmliche Messungen vermuten lassen. Der Unterschied zwischen NbN und YBCO deutet auf zugrunde liegende Unterschiede in der Art und Weise hin, wie ihre supraleitenden Zustände auf Spannungen reagieren.
Quelle: “Scientists just pushed superconductors beyond their usual current limit,” ScienceDaily.
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