Schneller Schalter für die Supraleitung

  • 01. July 2011

Terahertzpulse unterbrechen die verlustfreie Stromleitung vorübergehend.

Jeder elektrische Leiter besitzt einen Widerstand. Doch einige Materialien verlieren diesen vollständig, wenn man sie unter eine charakteristische Temperatur abkühlt. Wissenschaftler der Universität Oxford und der Max-Planck-Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik an der Universität Hamburg entwickelten nun einen schnellen Schalter, der die Supraleitung kurzzeitig unterbrechen kann.

Der von den Hamburger Forchern verwendete Hochtemperatur-Supraleiter ist ein Kristall, bestehend besteht aus Lanthan-Kuprat (La2CuO4) mit einer fest definierten Beimengung von Strontium (La1,84Sr0,16CuO4) mit einer Übergangstemperatur von -233 °C. „Im Innern dieses Kristalls bildet das Kuprat Ebenen, die übereinander liegen, ähnlich wie die Seiten eines Buches“, erklärt Andrea Cavalleri aus Hamburg. Die Elektronen können sich nur innerhalb dieser Ebenen bewegen; der Stromtransport findet also nur in zwei Dimensionen statt. Durch Abkühlung des Materials unter 40 Kelvin überlappen die Wellenfunktionen der Elektronen benachbarter Ebenen. Dadurch kann Stromfluss in allen drei Raumrichtungen stattfinden; der supraleitende Zustand ist entstanden.

Mit einem ultrakurzen Terahertz-Puls (gelb im Hintergrund) wird der supraleitende Transport zwischen den Schichten eines Kuprat-Kristalls gesteuert.

Abb.: Mit einem ultrakurzen Terahertz-Puls (gelb im Hintergrund) wird der supraleitende Transport zwischen den Schichten eines Kuprat-Kristalls gesteuert. (Bild: J.M. Harms, Max-Planck Forschungsgruppe, Hamburg)

Theoretisch ließe sich der supraleitende Zustand unterbrechen und wiederherstellen, wenn man senkrecht zu den Schichten ein sehr starkes elektrisches Feld anlegt, was durch einen Lichtpuls erreicht werden kann. Allerdings gelingt dies nur, wenn der Puls eine sehr hohe Feldstärke von mehreren zehntausend Volt pro Zentimeter erzeugt. Und er muss so kurz sein, dass der Kristall sich nicht erwärmt.

Dies erreichten die Wissenschaftler mit Hilfe eines Terahertzpulses, der entsteht, wenn man einen ultrakurzen Laserpuls in einen Kristall aus Litiumniobat schießt. Durch optische Gleichrichtung entsteht dann in dem Kristall die gewünschte Terahertzstrahlung. Für den kurzen Zeitraum von weniger als einer Pikosekunde war die Supraleitung unterbrochen, anschließend kehrte sie wieder zurück. Der Supraleiter leidet durch diesen Vorgang nicht und lässt sich beliebig oft schalten.

Mit dieser Methode können die Forscher nun die Funktionsweise von Hochtemperatur-Supraleitern untersuchen. Darüber hinaus sind auch Anwendungen dieses Effekts denkbar, die darauf beruhen, dass ein schaltbarer Supraleiter im Grunde einen schnellen Transistor darstellt.

MPG / KK

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