Supraleitung trifft Magnetismus

Herkömmliche Supraleiter lassen sich leicht durch äußere Einflüsse stören, insbesondere durch Magnetfelder. Einer internationalen Forschungsgruppe ist es jetzt gelungen, ein Hybridbauteil zu konstruieren, das aus einem stabilen Supraleiter besteht, dessen Funktion gezielt gesteuert werden kann. Dazu kombinierten die Wissenschaftler den Supraleiter mit einem speziellen Halbleitermaterial, einem topologischen Isolator.

„Topologische Isolatoren sind Materialien, die Strom auf ihrer Oberfläche leiten, im Inneren aber nicht. Verantwortlich dafür ist ihre einzigartige topologische Struktur, also die besondere Anordnung der Elektronen“, erklärt Charles Gould von der Uni Würzburg. „Das Spannende ist: Wir können topologische Isolatoren so mit magnetischen Atomen bestücken, dass sie sich mithilfe eines Magneten steuern lassen.“

Gekoppelt wurden Supraleiter und topologische Isolatoren in einem Josephson-Übergang, einer Verbindung zweier Supraleiter, die durch eine dünne Schicht von nicht supraleitendem Material getrennt wird. „Damit konnten wir die Eigenschaften der Supraleitung und des Halbleiters zusammenführen“, so Gould. „Wir vereinen also die Vorteile eines Supraleiters mit der Steuerungsfähigkeit des topologischen Isolators. Durch ein externes Magnetfeld können wir jetzt die supraleitenden Eigenschaften präzise kontrollieren. Das ist ein echter Durchbruch in der Quantenphysik!“

Durch die besondere Verbindung entsteht ein exotischer Zustand, in dem Supraleitung und Magnetismus vereint sind – normalerweise sind das gegensätzliche Phänomene, die nur selten koexistieren. Man spricht hier vom Proximity-induzierten Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov Zustand, kurz p-FFLO. Wichtig für die praktische Anwendung werden könnte der neue „Supraleiter mit Kontrollfunktion“ zum Beispiel bei der Entwicklung von Quantencomputern.

„Quantenbits sind derzeit noch sehr instabil, weil sie extrem empfindlich auf äußere Einflüsse reagieren, etwa elektrische oder magnetische Felder“, sagt Gould. „Unsere Entdeckung könnte dabei helfen, Quantenbits zu stabilisieren, sodass sie sich in Zukunft für den Einsatz in Quantencomputern eignen.“

JMU Würzburg / RK