Supraleiter Ultrakleiner Schalter könnte Energieverbrauch drastisch senken

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Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben ein supraleitendes Bauelement entwickelt, das den Strom viel effizienter übertragen könnte.

Mit der neuen Diode ließe sich der Energieverbrauch, z. B. von Hochleistungs-Computersystemen, drastisch senken. Auch wenn sie sich derzeit noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium befindet, ist die Diode mehr als doppelt so effizient wie ähnliche Dioden. Sie könnte sogar ein wesentlicher Bestandteil der neuen Quantencomputertechnologien sein.

Die Arbeit, über die in der Online-Ausgabe der Physical Review Letters vom 13. Juli berichtet wird, ist auch Gegenstand eines Artikels im Physics Magazine. „Diese Arbeit zeigt, dass die supraleitende Diode aus technischer Sicht ein vollständig gelöstes Problem darstellt“, erläutert Philip Moll, Direktor des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Deutschland. Moll war nicht an der Arbeit beteiligt. „Das Schöne an dieser Arbeit ist, dass Moodera und Kollegen Rekordwirkungsgrade erreicht haben, ohne es überhaupt zu versuchen – und ihre Strukturen sind noch lange nicht optimiert.“

„Unsere Entwicklung eines supraleitenden Diodeneffekts, der robust ist und über einen weiten Temperaturbereich in einfachen Systemen funktioniert, kann potenziell die Tür für neuartige Technologien öffnen“, freut sich Jagadeesh Moodera, Leiter der aktuellen Arbeit und leitender Forscher im Department of Physics des MIT. Moodera arbeitet auch mit dem Materials Research Laboratory, dem Francis Bitter Magnet Laboratory und dem Plasma Science and Fusion Center (PSFC) zusammen.

Die nanoskopische rechteckige Diode – etwa 1.000 Mal dünner als der Durchmesser eines menschlichen Haares – ist leicht skalierbar. Auf einem einzigen Silizium-Wafer könnten Millionen davon hergestellt werden.

Auf dem Weg zu einem supraleitenden Schalter

Dioden, Bauelemente, die den Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen, sind in Computersystemen allgegenwärtig. Moderne Halbleiterchips enthalten Milliarden von diodenähnlichen Bauteilen: Transistoren. Diese Bauelemente können jedoch aufgrund des elektrischen Widerstands sehr heiß werden, sodass enorme Energiemengen zur Kühlung der Hochleistungssysteme in den Rechenzentren benötigt werden, die hinter unzähligen modernen Technologien, einschließlich Cloud Computing, stehen. Laut einem Bericht in Nature aus dem Jahr 2018 könnten diese Systeme in 10 Jahren fast 20 Prozent des weltweiten Stroms verbrauchen.

Aus diesem Grund ist die Arbeit an Dioden aus Supraleitern ein heißes Thema in der Physik der kondensierten Materie. Das liegt daran, dass Supraleiter unterhalb einer bestimmten niedrigen Temperatur (der Sprungtemperatur) Strom ohne jeglichen Widerstand übertragen und daher viel effizienter sind als ihre halbleitenden Vettern, die einen spürbaren Energieverlust in Form von Wärme aufweisen.

Bisher waren jedoch andere Ansätze zur Lösung des Problems mit sehr viel komplizierterer Physik verbunden. „Der Effekt, den wir gefunden haben, ist zum Teil auf eine allgegenwärtige Eigenschaft von Supraleitern zurückzuführen, die sich auf sehr einfache, unkomplizierte Weise realisieren lässt. Sie starrt einem einfach ins Gesicht“, erlärt Moodera.

„Die Arbeit ist ein wichtiger Kontrapunkt zu der gegenwärtigen Mode, supraleitende Dioden mit exotischer Physik zu assoziieren, z. B. Zustände mit endlicher Impulspaarung“, so Moll vom Max-Planck-Institut. „In Wirklichkeit ist eine supraleitende Diode ein weit verbreitetes Phänomen in klassischen Materialien, das auf bestimmte gebrochene Symmetrien zurückzuführen ist.“

Eine eher zufällige Entdeckung

2020 beobachteten Moodera und seine Kollegen Hinweise auf ein exotisches Teilchenpaar, das als Majorana-Fermionen bekannt ist. Diese Teilchenpaare könnten zu einer neuen Familie von topologischen Qubits führen, den Bausteinen von Quantencomputern. Als das Team über Ansätze zur Herstellung von supraleitenden Dioden nachdachte, erkannte es, dass die Materialplattform, die es für die Majorana-Arbeiten entwickelt hatte, auch auf das Diodenproblem angewendet werden könnte.

Sie hatten Recht. Auf der Grundlage dieser allgemeinen Plattform entwickelten sie verschiedene Iterationen von supraleitenden Dioden, von denen eine effizienter war als die andere. Die erste bestand beispielsweise aus einer nanoskopisch dünnen Schicht aus Vanadium, einem Supraleiter, der in eine in der Elektronik übliche Struktur (den Hall-Balken) eingearbeitet wurde. Als sie ein winziges Magnetfeld anlegten, das mit dem Erdmagnetfeld vergleichbar war, sahen sie den Diodeneffekt - eine enorme Polaritätsabhängigkeit des Stromflusses.

Dann bauten sie eine weitere Diode, diesmal aus einem Supraleiter und einem Ferromagneten (in ihrem Fall einem ferromagnetischen Isolator), einem Material, das sein eigenes winziges Magnetfeld erzeugt. Nachdem sie ein schwaches Magnetfeld angelegt hatten, um den Ferromagneten so zu magnetisieren, dass er sein eigenes Feld erzeugt, stellten sie einen noch größeren Diodeneffekt fest, der auch nach dem Abschalten des ursprünglichen Magnetfelds stabil blieb.

Das Team versuchte herauszufinden, was passiert war

Supraleiter übertragen nicht nur Strom ohne Widerstand, sondern haben auch andere, weniger bekannte, aber ebenso allgegenwärtige Eigenschaften. Beispielsweise mögen sie keine Magnetfelder im Inneren. Wenn sie einem schwachen Magnetfeld ausgesetzt werden, erzeugen Supraleiter einen internen Suprastrom, der einen eigenen magnetischen Fluss induziert, der das äußere Feld aufhebt, wodurch ihr supraleitender Zustand erhalten bleibt. Dieses Phänomen, das als Meissner-Screening-Effekt bekannt ist, kann mit dem Immunsystem des menschlichen Körpers verglichen werden, das Antikörper freisetzt, um die Infektion mit Bakterien und anderen Krankheitserregern zu bekämpfen. Dies funktioniert jedoch nur bis zu einer gewissen Grenze. In ähnlicher Weise können Supraleiter große Magnetfelder nicht vollständig abhalten.

Die Dioden, die das Team entwickelt hat, machen sich diesen universellen Meissner-Abschirmungseffekt zunutze. Das von ihnen angelegte winzige Magnetfeld – entweder direkt oder über die angrenzende ferromagnetische Schicht – aktiviert den Abschirmungsstrommechanismus des Materials, um das externe Magnetfeld zu verdrängen und die Supraleitung aufrechtzuerhalten.

Das Team fand außerdem heraus, dass ein weiterer Schlüsselfaktor für die Optimierung dieser Supraleiterdioden in den winzigen Unterschieden zwischen den beiden Seiten oder Kanten der Diodenbauteile liegt. Diese Unterschiede „schaffen eine Art Asymmetrie in der Art und Weise, wie das Magnetfeld in den Supraleiter eintritt“, so Moodera.

Indem sie ihre eigene Form von Diodenkanten entwickelten, um diese Unterschiede zu optimieren – zum Beispiel eine Kante mit Sägezahnmerkmalen, während die andere Kante nicht absichtlich verändert wurde – fand das Team heraus, dass sie die Effizienz von 20 Prozent auf mehr als 50 Prozent steigern konnten. Diese Entdeckung öffnet die Tür für Geräte, deren Kanten für einen noch höheren Wirkungsgrad „getunt“ werden könnten, so Moodera.

Insgesamt entdeckte das Team, dass die Kantenasymmetrien in supraleitenden Dioden, der allgegenwärtige Meissner-Siebeffekt, der in allen Supraleitern zu finden ist, und eine dritte Eigenschaft von Supraleitern, das so genannte Vortex-Pinning, zusammenkommen, um den Diodeneffekt zu erzeugen.

„Es ist faszinierend zu sehen, wie unscheinbare, aber allgegenwärtige Faktoren einen bedeutenden Effekt bei der Beobachtung des Diodeneffekts erzeugen können“, betont Yasen Hou, Erstautor der Studie und Postdoc am Francis Bitter Magnet Laboratory und dem PSFC. „Was noch spannender ist, ist, dass diese Arbeit einen unkomplizierten Ansatz mit großem Potenzial zur weiteren Verbesserung der Effizienz bietet.“

Christoph Strunk ist Professor an der Universität Regensburg in Deutschland. Strunk, der nicht an der Forschung beteiligt war, erklärt: „Die vorliegende Arbeit zeigt, dass der Suprastrom in einfachen supraleitenden Bändern nicht reziprok werden kann. In Verbindung mit einem ferromagnetischen Isolator kann der Diodeneffekt sogar ohne ein äußeres Magnetfeld aufrechterhalten werden. Die Gleichrichtungsrichtung kann durch die Restmagnetisierung der magnetischen Schicht programmiert werden, was ein großes Potenzial für zukünftige Anwendungen haben könnte. Die Arbeit ist sowohl aus Sicht der Grundlagenforschung als auch aus Sicht der Anwendungen wichtig und ansprechend.“

Teenager als Mitwirkende

Moodera wies darauf hin, dass die beiden Forscher, welche die künstlichen Ränder geschaffen haben, dies während eines Sommeraufenthalts in Mooderas Labor taten, als sie noch in der High School waren. Es handelt sich um Ourania Glezakou-Elbert aus Richland, Washington, die im Herbst an der Princeton University studieren wird, und Amith Varambally aus Vestavia Hills, Alabama, der ans Caltech gehen wird.

„Ich wusste nicht, was mich erwartete, als ich letzten Sommer nach Boston kam, und ich hätte sicher nicht erwartet, dass ich Mitautor eines Artikels in den Physical Review Letters sein würde“, so Varambally. „Jeder Tag war aufregend, ob ich nun Dutzende von Papieren las, um die Diodenphänomene besser zu verstehen, oder Maschinen bediente, um neue Dioden für Studien herzustellen, oder mich mit Ourania, Dr. Hou und Dr. Moodera über unsere Forschung unterhielt. Ich bin Dr. Moodera und Dr. Hou zutiefst dankbar, dass sie mir die Möglichkeit gegeben haben, an einem so faszinierenden Projekt zu arbeiten, und Ourania, dass sie mir ein großartiger Forschungspartner und Freund ist.“

Neben Moodera und Hou sind die Professoren Patrick A. Lee vom MIT Department of Physics und Akashdeep Kamra von der Autonomous University of Madrid die korrespondierenden Autoren der Arbeit. Weitere MIT-Autoren sind Liang Fu und Margarita Davydova von der Abteilung für Physik sowie Hang Chi, Alessandro Lodesani und Yingying Wu, alle vom Francis Bitter Magnet Laboratory und dem Plasma Science and Fusion Center. Chi ist auch mit dem CCDC-Forschungslabor der US-Armee verbunden.

Zu den Autoren gehören auch Fabrizio Nichele, Markus F. Ritter und Daniel Z. Haxwell von IBM Research Europe, Stefan Ilić vom Materials Physics Center (CFM-MPC) und F. Sebastian Bergeret vom CFM-MPC und dem Donostia International Physics Center.

Diese Arbeit wurde durch das Air Force Office of Sponsored Research, das Office of Naval Research, die National Science Foundation und das Army Research Office unterstützt. Weitere Geldgeber sind der Europäische Forschungsrat, das Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizont 2020 der Europäischen Union, das spanische Ministerium für Wissenschaft und Innovation, die A. v. Humboldt-Stiftung und das Department of Energy's Office of Basic Sciences.

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