Physik

Halbleiterdioden leiten Strom in die eine Richtung, nicht jedoch in die andere, was ihnen unzählige Anwendungen in der Elektronik ermöglicht. Ihre Einwegeigenschaft wird durch ein unterschiedliches Leitverhalten der beiden Arten von Ladungsträgern – Elektronen und Löcher – ermöglicht. Supraleitende Dioden könnten auch in Sensoren und anderen Geräten nützlich sein. Da Supraströme jedoch nur über einen Trägertyp verfügen – Elektronen in sogenannten Cooper-Paaren – ist die Realisierung einer supraleitenden Diode schwieriger. Im Jahr 2020 demonstrierten Forscher einen Diodeneffekt in einem supraleitenden Gerät aus einem Schichtmaterial, das eine präzise Stapelung, eine starke Spin-Bahn-Kopplung und eine einzigartige Form der Cooper-Paarung erforderte [1]. Jetzt haben Jagadeesh Moodera vom Massachusetts Institute of Technology und seine Mitarbeiter eine supraleitende Diode entwickelt, die effektiver, einfacher im Design und unabhängig von esoterischen elektronischen Effekten ist [2].

Das Diodendesign des Teams besteht aus einem dünnen Streifen aus Niob oder Vanadium. Im Gegensatz zu den meisten Einzelelement-Supraleitern sind Niob und Vanadium beide Supraleiter vom Typ II – was bedeutet, dass ein angelegtes Magnetfeld der richtigen Stärke die Bildung von Suprastromwirbeln induziert, die alle in der gleichen Richtung rotieren. Moodera und Kollegen legten ein solches Feld senkrecht zur Oberfläche ihres Geräts an und induzierten Wirbel innerhalb des Streifens sowie Superströme (sogenannte Meisner-Ströme) entlang der Ränder des Streifens. Von oben betrachtet floss der eine Randstrom nach rechts (in „Vorwärts“-Richtung), der andere nach links (in „umgekehrte“ Richtung). Anschließend schickten die Forscher einen externen Strom über die Enden des Streifens – sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung – und maßen jeweils den Nettostrom.

Im Prinzip sind die gegenläufigen Randströme gleich, daher sollten sich ihre Beiträge zum Nettostrom aufheben. Doch in der Praxis kommt es bei der Herstellung eines Streifens zwangsläufig zu Strukturunterschieden zwischen den beiden Kanten. Das MIT-Team stellte fest, dass diese zufällige Asymmetrie groß genug war, um zu einem Diodenwirkungsgrad von 20 % zu führen – definiert als Differenz zwischen den Vorwärts- und Rückwärts-Nettoströmen geteilt durch die Summe. Die Forscher fanden heraus, dass sie die Diodeneffizienz auf 50 % steigern konnten, indem sie gezielt Kerben an einer der Kanten anbrachten. Sie erreichten jedoch einen Wirkungsgrad von 65 %, den höchsten bisher beobachteten Wert, indem sie das angelegte Magnetfeld durch das Eigenfeld einer Deckschicht aus einem ferromagnetischen Isolator, Europiumsulfid, ersetzten.

Tatsächlich haben Moodera und seine Kollegen gezeigt, dass in gewöhnlichen Supraleitern ein riesiger Diodeneffekt vorhanden ist, der aus dem Bruch einfacher geometrischer Symmetrie resultiert. Solche supraleitenden Dioden könnten sofort in der supraleitenden Elektronik und künftig in supraleitenden oder topologischen Qubit-Schaltkreisen Verwendung finden, sagt Moodera.

Philip Moll erforscht Quantenmaterialien am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Deutschland. Er weist darauf hin, dass die Beobachtung eines großen Diodeneffekts in Einzelelement-Supraleitern von Bedeutung ist, da ihre Einfachheit Anwendungen einfacher und skalierbarer macht. „Das Schöne an der Arbeit von Moodera und Kollegen ist, dass sie Rekordeffizienzen erreichten, ohne es überhaupt zu versuchen“, sagt er. „Ihre Strukturen sind noch lange nicht optimiert.“

–Charles Day

Charles Day ist leitender Redakteur für das Physics Magazine.

Yasen Hou, Fabrizio Nichele, Hang Chi, Alessandro Lodesani, Yingying Wu, Markus F. Ritter, Daniel Z. Haxell, Margarita Davydova, Stefan Ilić, Ourania Glezakou-Elbert, Amith Varambally, F. Sebastian Bergeret, Akashdeep Kamra, Liang Fu, Patrick A. Lee und Jagadeesh S. Modera

Physik. Rev. Lett. 131, 027001 (2023)

Veröffentlicht am 13. Juli 2023

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