Harvard-Forscher unter der Leitung von Philip Kim haben die Supraleitertechnologie weiterentwickelt, indem sie mithilfe von Kupraten eine Hochtemperatur-Supraleiterdiode entwickelt haben. Diese Entwicklung ist für das Quantencomputing von entscheidender Bedeutung und stellt einen bedeutenden Schritt bei der Manipulation und dem Verständnis exotischer Materialien und Quantenzustände dar. Bildnachweis: SciTechDaily.com
Die Herstellungsmethode könnte die Entdeckung von Materialien erleichtern.
- Das von Philip Kim geleitete Harvard-Team entwickelt Innovationen bei Hochtemperatur-Supraleitern unter Verwendung von Cupraten.
- Entwicklung der weltweit ersten supraleitenden Diode, Fortschritte Quanten-Computing.
- Demonstrierter gerichteter Superstrom und Kontrolle über Quantenzustände in BSCCO.
Supraleiter faszinieren Physiker seit Jahrzehnten. Doch diese Materialien, die den perfekten, verlustfreien Elektronenfluss ermöglichen, zeigen diese quantenmechanische Besonderheit meist erst bei so niedrigen Temperaturen – ein paar Grad darüber Absoluter Nullpunkt – um sie unpraktisch zu machen.
Ein Forschungsteam unter der Leitung des Harvard-Professors für Physik und Angewandte Physik Philip Kim hat eine neue Strategie zur Herstellung und Manipulation einer vielfach untersuchten Klasse von Supraleitern für höhere Temperaturen, sogenannte Cuprate, demonstriert und damit den Weg für die Entwicklung neuer, ungewöhnlicher Formen der Supraleitung in bisher unerreichbaren Bereichen geebnet Materialien.
Kim und sein Team nutzen eine einzigartige Herstellungsmethode für Geräte bei niedrigen Temperaturen, berichten Kim und sein Team in der Zeitschrift Wissenschaft ein vielversprechender Kandidat für die weltweit erste supraleitende Hochtemperaturdiode – im Wesentlichen ein Schalter, der den Strom in eine Richtung fließen lässt – aus dünnen Kupratkristallen. Ein solches Gerät könnte theoretisch junge Industrien wie Quantencomputing antreiben, die auf flüchtigen mechanischen Phänomenen basieren, die schwer aufrechtzuerhalten sind.
Grafische Darstellung des gestapelten, verdrillten Kuprat-Supraleiters mit begleitenden Daten im Hintergrund. Bildnachweis: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Zhao
„Hochtemperatur-supraleitende Dioden sind tatsächlich ohne Anwendung von Magnetfeldern möglich und eröffnen neue Forschungsmöglichkeiten für die Erforschung exotischer Materialien“, sagte Kim.
Cuprate sind Kupferoxide, die vor Jahrzehnten die Welt der Physik auf den Kopf stellten, indem sie zeigten, dass sie bei viel höheren Temperaturen supraleitend werden, als Theoretiker es für möglich gehalten hatten, wobei „höher“ ein relativer Begriff ist (der aktuelle Rekord für einen Cuprat-Supraleiter liegt bei -225). Fahrenheit). Doch der Umgang mit diesen Materialien ohne Zerstörung ihrer supraleitenden Phasen ist aufgrund ihrer komplexen elektronischen und strukturellen Eigenschaften äußerst komplex.
Die Experimente des Teams wurden von SY Frank Zhao geleitet, einem ehemaligen Studenten der Griffin Graduate School of Arts and Sciences und jetzt Postdoktorand an der MIT. Mithilfe einer luftfreien, kryogenen Kristallmanipulationsmethode in hochreinem Argon konstruierte Zhao eine saubere Grenzfläche zwischen zwei extrem dünnen Schichten des Cuprat-Wismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxids, das den Spitznamen BSCCO („Bisco“) trägt. BSCCO gilt als „Hochtemperatur“-Supraleiter, da es bei etwa -288 Grad Celsius zu supraleiten beginnt – nach praktischen Maßstäben sehr kalt, aber erstaunlich hoch unter Supraleitern, die normalerweise auf etwa -400 Grad Celsius abgekühlt werden müssen.
Zhao teilte das BSCCO zunächst in zwei Schichten auf, von denen jede ein Tausendstel so breit ist wie ein menschliches Haar. Dann stapelte er bei -130 °C die beiden Schichten um 45 Grad gedreht, wie ein Eiscreme-Sandwich mit schiefen Waffeln, wobei er die Supraleitung an der fragilen Grenzfläche beibehielt.
Das Team stellte fest, dass der maximale Superstrom, der ohne Widerstand durch die Schnittstelle fließen kann, je nach Stromrichtung unterschiedlich ist. Entscheidend ist, dass das Team auch die elektronische Kontrolle über den Grenzflächenquantenzustand durch Umkehr dieser Polarität demonstrierte. Diese Kontrolle ermöglichte es ihnen effektiv, eine schaltbare, supraleitende Hochtemperaturdiode herzustellen – eine Demonstration grundlegender Physik, die eines Tages in ein Stück Computertechnologie wie ein Quantenbit integriert werden könnte.
„Dies ist ein Ausgangspunkt für die Untersuchung topologischer Phasen mit vor Imperfektionen geschützten Quantenzuständen“, sagte Zhao.
Referenz: „Time-reversal symmetry breaking supraconductivity between Twisted Cuprate Supraconductors“ von SY Frank Zhao, Xiaomeng Cui, Pavel A. Volkov, Hyobin Yoo, Sangmin Lee, Jules A. Gardener, Austin J. Akey, Rebecca Engelke, Yuval Ronen, Ruidan Zhong, Genda Gu, Stephan Plugge, Tarun Tummuru, Miyoung Kim, Marcel Franz, Jedediah H. Pixley, Nicola Poccia und Philip Kim, 7. Dezember 2023, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abl8371
Das Harvard-Team arbeitete mit den Kollegen Marcel Franz von der University of British Columbia und Jed Pixley von der Rutgers University zusammen, deren Teams zuvor theoretische Berechnungen durchgeführt hatten, die das Verhalten des Kuprat-Supraleiters in einem weiten Bereich von Verdrehungswinkeln genau vorhersagten. Um die experimentellen Beobachtungen in Einklang zu bringen, waren auch neue Theorieentwicklungen erforderlich, die von Pavel A. Volkov von der University of Connecticut durchgeführt wurden.
Die Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation, dem Verteidigungsministerium und dem Energieministerium unterstützt.