Forschung

Supraleitend dank Laserpulsen

18.02.2021 - Lebensdauer von lichtinduzierter Supraleitung um mehrere Größenordnungen verlängert.

Die Supraleitung ist ein Quanteneffekt, der trotz jahrelanger Forschung noch immer auf tiefe Temperaturen oder extrem hohen Druck beschränkt ist. Einem Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg ist es nun gelungen, in einem molekularen Festkörper einen metastabilen Zustand mit verschwindendem elektrischem Widerstand zu erzeugen, indem sie ihn fein abgestimmten Pulsen intensiven Laser­lichts aussetzten. Dieser Effekt war bereits 2016 für eine sehr kurze Zeit nachgewiesen worden, aber in einer neuen Studie haben die Autoren der Arbeit eine fast 10.000 Mal länger Lebens­dauer gezeigt als bisher. Die relativ lange Lebens­dauer des gemessenen Effekts unter anhaltender optischer Anregung verspricht ein besseres Verständnis der licht­induzierten Supraleitung bei hohen Temperaturen und ebnet den Weg zu Anwendungen in der integrierten Elektronik. 
 

Supraleitung ist eines der faszinierendsten und geheimnis­vollsten Phänomene der modernen Physik. Die Notwendigkeit leistungs­starker Kühlung limitiert bislang allerdings die technologische Verwendbarkeit dieser Materialien. In den letzten Jahren zeigte die Gruppe von Andrea Cavalleri am MPSD, dass intensive Infrarotlichtpulse supraleitende Eigenschaften in einer Vielzahl von Materialien bei viel höheren Temperaturen induzieren können, als es ohne Photo­stimulation möglich wäre. Allerdings lebten diese exotischen Zustände bisher nur für wenige Pikosekunden, so dass experimentelle Methoden zu ihrer Untersuchung auf ultraschnelle optische Verfahren beschränkt blieben. 

Forschern der Cavalleri-Gruppe ist es nun gelungen, die Dauer eines solchen lichtinduzierten supraleitenden Zustands in dem organischen Supraleiter K3C60, der auf Fullerenen basiert, um mehr als vier Größenordnungen zu erhöhen. „Wir haben einen langlebigen Zustand mit verschwindendem Widerstand bei einer Temperatur entdeckt, die fünfmal höher ist als diejenige, bei der die Supraleitung ohne Photoanregung einsetzt“, sagt Erstautor Matthias Budden, während dieser Studie Doktorand am MPSD.

„Der Schlüssel zu diesem Erfolg war unsere Entwicklung einer neuartigen Laserquelle, die hochintensive Lichtpulse im mittleren Infrarotbereich mit einstellbarer Dauer von etwa einer Pikosekunde bis zu einer Nanosekunde erzeugen kann“, ergänzt Co-Autor Thomas Gebert. Der neue Lasertyp basiert auf der Synchronisation von Hoch­leistungs-Gaslasern und ihren relativ langen Nanosekunden-Pulsen mit dem ultrapräzisen Rhythmus viel kürzerer Fest­körperlaser-Pulse.

Treffen solche langen und intensiven Infrarotlicht-Pulse auf ein Material, können sie Molekül­schwingungen, Gitter­verzerrungen und sogar Änderungen der elektronischen Konfiguration hervorrufen. Angesichts der Komplexität dieser Prozesse ist es nicht verwunderlich, dass bereits mehrere sehr unterschiedliche Theorien zur Beschreibung der Physik licht­verstärkten Supraleitung vorgeschlagen wurden. Überraschender­weise entdeckten die Autoren in ihrer neuen Arbeit, dass die Supraleitung nach der Photo­anregung für mehr als zehn Nano­sekunden anhielt. Diese deutlich verlängerten Lebenszeiten der supraleitenden Zustände ermöglichten es dem Team, den elektrischen Widerstand des Materials systematisch zu untersuchen. Obwohl eine mikroskopische Beschreibung der licht­induzierten Supraleitung in K3C60 noch aussteht, stellen diese Ergebnisse einen neuen Prüfstein für aktuelle Theorien dar.

„Vor allem ebnet unsere Arbeit den Weg für weiterführende Experimente zum photoinduzierten Meissner-Effekt“, so Matthias Budden abschließend. „Außerdem inspiriert sie neue Ansätze zur Anwendung von supraleitenden Schaltkreisen in integrierten Bauelementen auf Basis moderner Hoch­geschwindigkeits­elektronik.“ Zu solchen Anwendungen gehören extrem empfindliche Magnetfeld­sensoren, Hochleistungs-Quanten­computer und die verlustfreie Energie­übertragung. Zudem möchte das MPSD-Team seinen neuartigen Ansatz dazu nutzen, längere Anregungspulse im mittleren Infrarot­bereich mit direkten Messungen elektronischer und magnetischer Eigenschaften zu kombinieren, um so die Kontrolle und das Verständnis der vielen faszinierenden Phänomene in komplexen Materialien zu verbessern.

MPSD / DE
 

Weitere Infos