In einer bedeutenden Entwicklung auf dem Gebiet der Supraleitung ist es Forschern der Universität Manchester gelungen, mithilfe eines neu geschaffenen eindimensionalen (1D) Systems eine robuste Supraleitung in hohen Magnetfeldern zu erreichen. Dieser Durchbruch bietet einen vielversprechenden Weg zur Erreichung der Supraleitung im Quanten-Hall-Regime, einer seit langem bestehenden Herausforderung in der Physik der kondensierten Materie.
Supraleitung, die Fähigkeit bestimmter Materialien, Elektrizität ohne Widerstand zu leiten, birgt großes Potenzial für Fortschritte in der Quantentechnologie. Allerdings hat sich das Erreichen der Supraleitung im Quanten-Hall-Regime, das durch quantisierte elektrische Leitfähigkeit gekennzeichnet ist, als große Herausforderung erwiesen.
Die Studie wurde diese Woche (25. April 2024) in veröffentlicht Natur, beschreibt die umfangreiche Arbeit des Manchester-Teams unter der Leitung von Professor Andre Geim, Dr. Julien Barrier und Dr. Na Xin, um Supraleitung im Quanten-Hall-Regime zu erreichen. Ihre anfänglichen Bemühungen folgten dem konventionellen Weg, bei dem gegenläufige Randzustände in unmittelbare Nähe zueinander gebracht wurden. Dieser Ansatz erwies sich jedoch als begrenzt.
„Unsere anfänglichen Experimente waren in erster Linie durch das starke anhaltende Interesse an Proximity-Supraleitung motiviert, die entlang Quanten-Hall-Randzuständen induziert wird“, erklärt Dr. Barrier, der Hauptautor der Arbeit. „Diese Möglichkeit hat zu zahlreichen theoretischen Vorhersagen hinsichtlich der Entstehung neuer Teilchen geführt, die als nicht-abelsche Anyons bekannt sind.“
Anschließend untersuchte das Team eine neue Strategie, die von früheren Arbeiten inspiriert war und zeigte, dass Grenzen zwischen Domänen in Graphen hochleitfähig sein könnten. Indem sie solche Domänenwände zwischen zwei Supraleitern platzierten, erreichten sie die gewünschte ultimative Nähe zwischen sich gegenläufig ausbreitenden Randzuständen und minimierten gleichzeitig die Auswirkungen von Unordnung.
„Wir wurden ermutigt, in jedem von uns hergestellten Gerät große Superströme bei relativ ‚lauen‘ Temperaturen von bis zu 1 Kelvin zu beobachten“, erinnert sich Dr. Barrier.
Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Proximity-Supraleitung nicht von den Quanten-Hall-Randzuständen herrührt, die sich entlang der Domänenwände ausbreiten, sondern vielmehr von streng eindimensionalen elektronischen Zuständen, die innerhalb der Domänenwände selbst existieren.
Diese 1D-Zustände, deren Existenz von der Theoriegruppe von Professor Vladimir Fal'ko am National Graphene Institute nachgewiesen wurde, zeigten im Vergleich zu Quanten-Hall-Randzuständen eine größere Fähigkeit zur Hybridisierung mit Supraleitung. Es wird angenommen, dass die inhärente eindimensionale Natur der inneren Zustände für die beobachteten starken Superströme bei hohen Magnetfeldern verantwortlich ist.
Diese Entdeckung der einmodigen 1D-Supraleitung zeigt spannende Möglichkeiten für die weitere Forschung auf. „In unseren Geräten breiten sich Elektronen innerhalb desselben nanoskaligen Raums und ohne Streuung in zwei entgegengesetzte Richtungen aus“, erläutert Dr. Barrier. „Solche 1D-Systeme sind außergewöhnlich selten und vielversprechend für die Lösung eines breiten Spektrums von Problemen der Grundlagenphysik.“
Das Team hat bereits die Fähigkeit demonstriert, diese elektronischen Zustände mithilfe der Gate-Spannung zu manipulieren und stehende Elektronenwellen zu beobachten, die die supraleitenden Eigenschaften modulierten.
„Es ist faszinierend darüber nachzudenken, was uns dieses neuartige System in Zukunft bringen kann. Die 1D-Supraleitung stellt einen alternativen Weg zur Realisierung topologischer Quasiteilchen dar, die den Quanten-Hall-Effekt und die Supraleitung kombinieren“, schließt Dr. Xin. „Dies ist nur ein Beispiel für das enorme Potenzial unserer Erkenntnisse.“
Diese Forschung der Universität Manchester stellt 20 Jahre nach der Einführung des ersten 2D-Materials Graphen einen weiteren Fortschritt auf dem Gebiet der Supraleitung dar. Die Entwicklung dieses neuartigen 1D-Supraleiters dürfte Türen für Fortschritte in der Quantentechnologie öffnen und den Weg für die weitere Erforschung neuer Physik ebnen, was das Interesse verschiedener wissenschaftlicher Gemeinschaften weckt.