Forscher des Zentrums für nanomaterialarchitektonische Materialien (MANA) am Japanischen Nationalinstitut für Materialwissenschaften (NIMS) haben nachgewiesen, dass Stufen mit einer Höhe von nur einem Atom als mikroskopische „Eisenbahngleise“ für Quantenwirbel in Supraleitern dienen können. Der veröffentlichten Arbeit zufolge bewegten sich Wirbel unter bestimmten Bedingungen entlang der atomaren Stufen mehr als 1000-mal leichter als quer dazu, was einen völlig neuen Ansatz zur Steuerung des Quantenverhaltens in ultradünnen Materialien eröffnet.

Was sind Quantenwirbel und warum sind sie wichtig

Supraleitern sind Materialien, die bei Abkühlung unter eine kritische Temperatur elektrischen Strom völlig ohne Widerstand leiten. Diese Eigenschaft macht sie äußerst attraktiv für die Entwicklung energieeffizienter Elektronik, leistungsstarker Magnete und Quantencomputing-Geräte. Wenn jedoch ein Magnetfeld in einen Supraleiter eindringt, entstehen winzige Quantenstrukturen — Josephson-Wirbel. Dabei handelt es sich um Bereiche, die von zirkulierenden Supraleitströmen umgeben sind. Wenn sich Wirbel in Bewegung setzen, erzeugen sie einen elektrischen Widerstand, was die Materialeigenschaften verschlechtert. Die Kontrolle über Wirbel ist daher eine Schlüsselaufgabe für die praktische Anwendung von Supraleitern.

Das Experiment: Indium auf Silizium und Rastertunnelmikroskopie

NIMS-Forscher untersuchten eine atomar dünne Indiumschicht, die auf eine Siliziumoberfläche Si(111) aufgebracht wurde, welche regelmäßige Stufen — Erhebungen von genau einem Atom Höhe — aufweist. Die Oberflächenstruktur und die Anordnung der Wirbel beobachteten die Wissenschaftler direkt mit einem Rastertunnelmikroskop, wodurch direkte visuelle Daten darüber gewonnen wurden, wie Wirbel mit der atomaren Topographie interagieren. Der Unterschied in der Wirbelmobilität entlang und quer zu den Stufen wurde anhand von elektrischen Widerstandsmessungen in einer Vier-Sonden-Anordnung bewertet.

Modus der unidirektionalen Bewegung und die Rolle des Magnetfelds

Bei einer Magnetfeldinduktion von etwa 0,10 bis 0,20 Tesla sank die Energiebarriere, die der Wirbelbewegung entlang der Stufen entgegenwirkt, praktisch auf Null. Infolgedessen entstand ein unidirektionaler Bewegungsmodus ohne Fixierung der Wirbel an Materialdefekten: Sie bewegten sich frei entlang der atomaren „Schienen“, während die Bewegung quer zu den Stufen deutlich erschwert blieb. Die Wissenschaftler stellten zudem fest, dass dieser Effekt durch Änderung der Temperatur oder der Magnetfeldstärke geregelt werden kann, was den Ansatz flexibel und potenziell für technische Aufgaben geeignet macht.

Quantentunneln und Perspektiven für die Elektronik der Zukunft

Bei den niedrigsten Temperaturen beginnt das Quantentunneln — das Durchqueren einer Energiebarriere durch Teilchen, was in der klassischen Physik unmöglich ist — eine wesentliche Rolle bei der Wirbelbewegung zu spielen. Diese Beobachtung ist von eigenständigem Interesse für die weitere Grundlagenforschung. In praktischer Hinsicht sind laut den Autoren zusätzliche Entwicklungen erforderlich, um funktionierende Geräte zu bauen; der demonstrierte Effekt ebnet jedoch bereits den Weg zur Steuerung von Wirbeln in二维- und atomar dünnen Supraleitern — Materialien, die als die vielversprechendsten für die Elektronik der nächsten Generation gelten. Die erfolgreiche Umsetzung dieser Kontrolle könnte zu supraleitenden Geräten führen, die deutlich weniger Energie verbrauchen und Informationen effizienter verarbeiten.