Ein internationales Team von Wissenschaftern aus Österreich, Deutschland und der Ukraine hat ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Dies erschließt Untersuchungen der reichen Physik nichtlinearer kollektiver Systeme und macht einen Nb-C-Supraleiter zu einem idealen Materialkandidaten für Einzelphotonen-Detektoren. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.
Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen in vielen Materialien auftritt und das sich durch einen verschwindenden elektrischen Widerstand und das Verdrängen von Magnetfeldern aus dem Inneren des Materials manifestiert. Supraleiter werden bereits für medizinische Bildgebung, schnelle digitale Schaltkreise oder empfindliche Magnetometer verwendet und bergen ein großes Potenzial für weitere Anwendungen. Allerdings ist die Leitfähigkeit der meisten technologisch wichtigen Supraleiter in der Tat nicht "super". Bei diesen so genannten Typ-II-Supraleitern dringt ein äußeres Magnetfeld in Form von quantisierten Magnetflusslinien in das Material ein. Diese Flusslinien sind als Abrikosov-Vortizes bekannt, benannt nach Alexei Abrikosov, dessen Vorhersage ihm 2003 den Nobelpreis für Physik einbrachte. Doch schon bei mäßig starken elektrischen Strömen beginnen sich die Vortizes zu bewegen, und der Supraleiter kann den Strom nicht mehr widerstandslos führen.
In den meisten Supraleitern wird ein Zustand mit niedrigem Widerstand durch Vortexgeschwindigkeiten von rund 1 km/s begrenzt, was den praktischen Einsatz von Supraleitern in verschiedenen Anwendungen beschränkt. Gleichzeitig sind solche Geschwindigkeiten nicht hoch genug, um die reichhaltige Physik, die für kollektive Nichtgleichgewichtssysteme typisch ist, zu untersuchen. Nun hat ein internationales Team von Wissenschaftern der Universität Wien, der Goethe-Universität Frankfurt, des Instituts für Mikrostrukturen der RAS, der V. Karazin National University of Kharkiv, des B. Verkin Instituts für Tieftemperaturphysik und -technik der NAS ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Der neue Supraleiter weist eine seltene Kombination von Eigenschaften auf – hohe strukturelle Gleichförmigkeit, große kritische Stromdichte und schnelle Relaxation heißer Elektronen. Die Kombination dieser Eigenschaften stellt sicher, dass das Phänomen der Fluss-Strömungsinstabilität – abrupter Übergang eines Supraleiters vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand – bei ausreichend großen Transportströmen auftritt.
"In den letzten Jahren sind experimentelle und theoretische Arbeiten erschienen, die auf ein bemerkenswertes Thema hinweisen; es wurde argumentiert, dass sich stromgetriebene Vortizes noch schneller bewegen können als die supraleitenden Ladungsträger selbst", sagt Oleksandr Dobrovolskiy, Hauptautor der jüngsten Veröffentlichung in Nature Communications und Leiter des Labors für Supraleitung und Spintronik an der Universität Wien. "Diese Studien verwendeten jedoch lokal ungleichmäßige Strukturen. Anfänglich arbeiteten wir mit qualitativ hochwertigen sauberen Filmen, aber später stellte sich heraus, dass schmutzige Supraleiter bessere Kandidaten sind, um ultraschnelle Vortexdynamik zu unterstützen. Obwohl die intrinsische Flusslinienverankerung in diesen nicht zwangsläufig so schwach ist wie in anderen amorphen Supraleitern, wird die schnelle Relaxation heißer Elektronen zu einem dominierenden Faktor, der eine ultraschnelle Vortexbewegung ermöglicht".
Für ihre Untersuchungen stellten die Forscher einen Nb-C-Supraleiter durch fokussierte Ionenstrahl-induzierte Abscheidung in der Gruppe von Prof. Michael Huth an der Goethe-Universität in Frankfurt am Main her. Bemerkenswert ist, dass die Technologie der Direktabscheidung zusätzlich zu den ultraschnellen Vortexgeschwindigkeiten in Nb-C erlaubt, komplex geformte Nanoarchitekturen und ausgefeilten 3D-Fluxonschaltkreisen herzustellen, die in der Quanteninformationsverarbeitung Anwendung finden könnten.
Herausforderungen bei der Untersuchung ultraschneller Wirbelmaterie
"Um die maximale Stromdichte zu erreichen, die ein Supraleiter führen kann, die so genannte Paarbrechungsstromdichte, benötigt man ziemlich gleichförmige Proben über eine makroskopische Längenskala, was teilweise auf kleine Defekte in einem Material zurückzuführen ist. Das Erreichen der Paarbrechungsstromdichte ist nicht nur ein grundlegendes Problem, sondern auch wichtig für Anwendungen: Ein mikrometerbreiter supraleitender Streifen kann durch ein einzelnes Nahinfrarot- oder optisches Photon in einen resistiven Zustand versetzt werden, wenn der Streifen durch einen Strom nahe dem Wert der Paarbrechungsstromdichte vorbereitet wird, wie vorhergesagt und in jüngsten Experimenten bestätigt wurde. Dieser Ansatz eröffnet Perspektiven für den Bau großflächiger Einzelphoton-Detektoren, die z.B. in der konfokalen Mikroskopie, der Freiraum-Quantenkryptographie und der optischen Kommunikation im Weltraum eingesetzt werden könnten", sagt Denis Vodolazov, Senior Researcher am Institut für Mikrostrukturen der RAS, Russland.
Den Forschern gelang es zu untersuchen, wie schnell sich Vortizes in Nb-C-supraleitenden Streifen bewegen können, die eine kritische Stromdichte bei verschwindendem Magnetfeld nahe der Paarbrechungsstromdichte aufweisen. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Fluss-Strömungsinstabilität aufgrund der lokal erhöhten Stromdichte in der Nähe der Kante beginnt, an der die Vortizes in die Probe eintreten. Dies bietet Einblicke in die Anwendbarkeit weit verbreiteter Fluss-Strömungsinstabilitätsmodelle und legt nahe, dass Nb-C ein guter Materialkandidat für schnelle Einzelphotonen-Detektoren ist.
Publikation in Nature Communications:
O. V. Dobrovolskiy, D. Yu. Vodolazov, F. Porrati, R. Sachser, V. M. Bevz, M. Yu. Mikhailov, A. V. Chumak, and M. Huth. Ultra-fast vortex motion in a direct-write Nb-C superconductor, Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-020-16987-y, (2020).
