Unter Extrembedingungen Pikosekundenpulse zeigen die verborgene Stromgrenze von Supraleitern

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Wie viel Strom ein Supraleiter tragen kann, hängt unter anderem von der Dauer der Belastung ab. Mit nur zwei Pikosekunden kurzen Pulsen hat ein Forschungsteam bei Niobnitrid eine Stromdichte erreicht, die deutlich über dem Gleichstrom-Grenzwert liegt. Der Versuch macht die Unterschiede zwischen supraleitenden Materialien sichtbar.

Die kritische Stromdichte gilt als wichtige Kenngröße eines Supraleiters. Überschreitet der Strom diesen Wert, treten Verluste auf. Bei Typ-II-Supraleitern beschreibt der üblicherweise mit Gleichstrom gemessene Wert allerdings häufig noch nicht die Grenze des supraleitenden Zustands selbst: Zuvor können sich magnetische Flusswirbel bewegen und das Material erwärmen.

Ein Forschungsteam um Eryin Wang hat diese langsameren Vorgänge mit etwa zwei Pikosekunden kurzen Stromimpulsen weitgehend umgangen. In der in Nature Physics veröffentlichten Studie erreichte eine Niobnitrid-Probe (NbN) bei 7 K eine Stromdichte von rund 220 GA/m², bevor ihre supraleitende Antwort abrupt einbrach. Der mit Gleichstrom gemessene kritische Wert derselben Probe lag bei etwa 100 GA/m². Die Forschenden ordnen die höhere Schwelle der intrinsischen Depairing-Stromdichte zu: jener Grenze, an der die Cooper-Paare, die den Suprastrom tragen, instabil werden.

Der Strom erreicht das Materiallimit, bevor Wirbel wandern

In einem Typ-II-Supraleiter können magnetische Flusswirbel in das Material eindringen. Solange sie festgehalten werden, muss das noch keine nennenswerten Verluste verursachen. Setzen sie sich unter der Kraft des Stroms in Bewegung, entsteht dagegen Dissipation. Wie früh dies geschieht, hängt auch von Defekten im Material ab, an denen die Wirbel haften können. Die Gleichstrom-Grenze ist daher nicht allein eine Eigenschaft des supraleitenden Zustands.

Für den Versuch erzeugte das Team die elektrischen Pulse mit laserangeregten photoleitenden Schaltern und leitete sie durch dünne supraleitende Proben. Innerhalb von zwei Pikosekunden können sich Flusswirbel laut der Abschätzung im Paper höchstens um wenige zehn Nanometer bewegen. Die Forschenden konnten so untersuchen, wie das Material auf hohe Stromdichten reagiert, bevor die übliche Wirbelbewegung und nachfolgende Erwärmung die Messung bestimmen.

Zwei Materialien, zwei Arten des Zusammenbruchs

Der Vergleich mit YBa₂Cu₃O₇ (YBCO) zeigt, dass es keine einheitliche, scharf erkennbare Pulsstromgrenze für alle Supraleiter gibt. Während die NbN-Probe bei 7 K zunächst stabil blieb und dann eine deutliche Schwelle zeigte, schwächte sich die supraleitende Antwort der YBCO-Probe bei 50 K mit steigendem Strom kontinuierlich ab. Eine entsprechende einzelne Schwelle ließ sich dort nicht bestimmen.

Die Autoren führen diesen Unterschied auf die Struktur der supraleitenden Energielücke zurück. Sie ist bei NbN annähernd in alle Richtungen gleich groß, bei YBCO hingegen stark richtungsabhängig und in bestimmten Richtungen null. Bei YBCO kann der Strom die Supraleitung daher schrittweise schwächen, während der Versuch bei NbN einen ausgeprägten Übergang sichtbar macht. Die Pulsmessung könnte damit künftig auch zur Untersuchung der mikroskopischen Eigenschaften weiterer Supraleiter dienen. Ob sich der beobachtete Zusammenhang allgemein zur Bestimmung der Energielückenstruktur eignet, müssen Messungen an weiteren Materialien zeigen.

Bedeutung für supraleitende Anwendungen

Für die Entwicklung supraleitender Bauelemente ist die Unterscheidung zwischen Gleichstromgrenze und kurzzeitig erreichbarer Stromdichte entscheidend. Das Paper zeigt, dass ein Material für wenige Pikosekunden einen wesentlich höheren Suprastrom führen kann, als seine konventionelle kritische Stromdichte erwarten lässt. Die Autoren sehen darin unter anderem eine mögliche Grundlage für ultrakurze, starke Magnetfeldimpulse und für supraleitende Elektronik, die näher an den intrinsischen Stromgrenzen arbeitet. Diese Anwendungen wurden in der Studie noch nicht demonstriert.

Für supraleitende Magnete, Kabel oder Stromversorgungssysteme bedeutet der Befund dagegen keine höhere Dauerstrombelastbarkeit. Dort bleiben die Bewegung magnetischer Flusswirbel und die thermischen Bedingungen des Betriebs maßgeblich. Untersucht wurden dünne, kleine Proben unter kontrollierten Bedingungen und extrem kurze Einzelpulse. Offen ist insbesondere, wie sich wiederholte Pulse, größere Leiterstrukturen und anwendungsnahe Magnetfelder auf die erreichbare Stromdichte auswirken.

Der wichtigste unmittelbare Nutzen der Arbeit ist deshalb eine neue Messmöglichkeit: Sie trennt die durch Wirbelbewegung begrenzte Strombelastbarkeit besser von der intrinsischen Stabilität des supraleitenden Materials. (mr)

Originalarbeit: E. Wang et al., „Probing picosecond depairing currents in type-II superconductors“ (https://www.nature.com/articles/s41567-026-03469-z), Nature Physics, 24. September 2026.

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