Ein Forschungsteam der TU Ilmenau hat einen bislang unbekannten Mechanismus zur Optimierung und Kontrolle der sogenannten Andreev-Reflexion an der Normalleiter-Supraleiter-Grenzfläche entdeckt. Die Erkenntnisse könnten neue Chancen in Bereichen wie Quantencomputern oder nachhaltiger IT eröffnen. Die Forschungsresultate sind in Zusammenarbeit mit der Aalto Universität in Finnland entstanden und wurden soeben im wichtigsten Journal für physikalische Forschung – Physical Review Letters – veröffentlicht, als „Editors' Suggestion“ ausgezeichnet sowie im Physics Magazine speziell hervorgehoben.
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Forschung der TU Ilmenau deckt neuen Mechanismus zur Optimierung der Stromleitung über die Normalleiter-Supraleiter-Grenzfläche auf
Stromnetze aus Kupfer oder Aluminium gelten heute als Standard für Stromleitungen in Haushalten, Gebäuden oder Industrieanlagen. In diesen sogenannten Normalleitern wird elektrischer Strom durch einzelne Elektronen transportiert. Da diese Materialien jedoch immer einen gewissen elektrischen Widerstand besitzen, geht beim Stromtransport Energie in Form von Wärme verloren. Energieintensive IT-Technologien setzen daher verstärkt auf Supraleiter für den Stromtransport. In ihnen werden Paare aus Elektronen, die sogenannten Cooper-Paare, verlustfrei transportiert. Da supraleitende Materialien den elektrischen Energieverbrauch minimieren, können elektronische Schaltungen extrem schnell arbeiten – mit mehreren hundert Milliarden Schaltvorgängen pro Sekunde.
Energieeffiziente Schaltkreise und nachhaltige Computer
In der modernen Forschung ist die Grenzfläche aus Normal- und Supraleiter wieder verstärkt in das Zentrum des Interesses gerückt. Der Grund: An dieser Grenzfläche werden Elektronen in Cooper-Paare und umgekehrt umgewandelt – ein Mechanismus, der 1964 von dem russischen Physiker Alexander Andreev beschrieben wurde und als Andreev-Reflexion bekannt ist. Dieser Prozess ermöglicht es Cooper-Paaren, in den Normalleiter einzudringen– ein Phänomen, das als supraleitender Proximity-Effekt bekannt ist. „Hybridstrukturen aus Halb- und Supraleitern zum Beispiel werden aufgrund des Proximity-Effekts aktuell intensiv untersucht, weil sie für Bestandteile von zukünftigen energieeffizienten Schaltkreisen entscheidend sein können, etwa für nachhaltig betriebene Computerarchitekturen oder IT-Technologien“, erklärt Prof. Jörg Kröger, der die Andreev-Reflexion in der Arbeitsgruppe Experimentalphysik I zusammen mit seinem Doktoranden M.Sc. Lorenz Meyer erforscht.
Ein besonders vielversprechender Aspekt ist laut Lorenz Meyer die mögliche Nutzung des Proximity-Effekts in Quantencomputern, denn in der Kombination aus magnetischen Nanostrukturen und konventionellen Supraleitern können durch diesen Effekt sogenannte Majorana-Quasiteilchen entstehen – exotische Teilchen, die als Schlüssel für besonders effiziente und fehlertolerante Quantencomputer gelten. Solche Computer, so die beiden Wissenschaftler, könnten auf lange Sicht die Rechendauer herkömmlicher Digitalrechner massiv unterschreiten.
Wichtiger Schritt für „grüne Elektronik“
Dem Team um die beiden Physiker Lorenz Meyer und Jörg Kröger ist es nun gelungen, die Andreev-Reflexion gezielt zu steuern. Mit einem Rastertunnelmikroskop, das bei extrem niedrigen Temperaturen arbeitet, wurde ein einzelnes Molekül zwischen einem Metall (Wolfram) und einem Supraleiter (Blei) als Kontakt verwendet. Das Besondere: Die elektronischen Eigenschaften dieses Moleküls können von außen so eingestellt werden, dass der Effekt verstärkt oder abgeschwächt wird. Diese experimentellen Ergebnisse werden durch Simulationen eines Theorie-Kollegen der Universität Aalto in Finnland, Professor Jose L. Lado, reproduziert. Prof. Kröger sieht großes Potenzial in der Forschungsleistung seines Teams:
Diese Entdeckung hat große Bedeutung für das Verständnis eines quantenphysikalischen Effekts, der ursprünglich für makroskopische Grenzflächen erarbeitet wurde, jetzt aber eine Erweiterung auf kleinste Kontakte erfährt. Die Steuerung der Andreev-Reflexion an einem Quantenkontakt von der Außenwelt könnte dazu beitragen, supraleitende Effekte gezielt in energieeffizienter Molekularelektronik nutzbar zu machen. Für die sogenannte ‚grüne Elektronik' , die verheißt, energieeffizient zu arbeiten und nachhaltigere Technologien zu ermöglichen, wäre dies ein wichtiger Schritt nach vorn.
Publikation in Physical Review Letters
Die Arbeit des Forschungsteams wurde von Physical Review Letters als „Editors' Suggestion“ und als Highlight im Physics Magazine ausgezeichnet. Unterstützt wurde die Forschung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Agence Nationale de la Recherche (ANR) im Rahmen des Projekts „Magnetische Austauschwechselwirkung über eine Vakuumbarriere auf atomarer Skala“ (Oktober 2024 – September 2027) sowie durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, Projekt ForLab).
Kontakt
M.Sc. Lorenz Meyer
Arbeitsgruppe Experimentalphysik I