Supraleitender Dioden-Effekt ohne externes Magnetfeld

Von einem supra­leitenden Dioden-Effekt spricht man, wenn sich ein Material in der einer Strom­fluss­richtung wie ein Supraleiter und in der anderen wie ein Widerstand verhält. Im Gegensatz zu einer konven­tio­nellen Diode weist eine solche supra­leitende Diode einen komplett verschwin­denden Widerstand und somit keinerlei Verluste in Durchlass­richtung auf. Das könnte die Basis bilden für zukünftige verlust­freie Quanten-Elektronik. Einen solchen Dioden-Effekt zu erzeugen gelang Physikern vor etwa zwei Jahren erstmals, allerdings mit einigen grund­legenden Ein­schränkungen.

„Der Effekt war damals zum einen sehr schwach, zum anderen wurde er durch ein externes Magnetfeld erzeugt, was in möglichen techno­logischen Anwendungen sehr ungünstig ist“, erläutert Mathias Scheurer von der Uni Innsbruck. Die jetzigen, an der Brown University in den USA durch­ge­führten Experimente kommen ohne externes Magnetfeld aus. Neben den anwendungs­relevanten Vorteilen bestätigen die Experimente eine These, die Scheurer zuvor theoretisch aufgestellt hat: Supraleitung und Magnetismus können in einem System, bestehend aus drei gegen­ein­ander verdrehten Graphen-Schichten, koexistieren. Das System erzeugt also selbst sein eigenes internes Magnetfeld, was einen Dioden-Effekt hervor­ruft. „Der beobachtete Dioden-Effekt war zusätzlich sehr stark. Außerdem kann die Dioden-Richtung durch ein einfaches elektrisches Feld umgekehrt werden. Damit ist es gelungen, den Ideal­zustand eines supra­leitenden Dioden-Effekts zu erzeugen“, betont Scheurer.

In übereinander­gelegten Schichten weist Graphen viel­ver­sprechende Eigen­schaften auf, unter anderem können drei gegen­ein­ander verdrehte Graphen-Schichten elektrischen Strom verlustfrei leiten. Dass ein supra­leitender Dioden-Effekt ohne externes Magnetfeld in diesem System existiert, hat auf die Erforschung des komplexen physikalischen Verhaltens von drei gegen­ein­ander verdrehten Graphen-Schichten große Auswirkungen, da es die Koexistenz von Supra­leitung und Magnetismus demonstriert. Das zeigt, dass der Dioden-Effekt nicht nur techno­logische Relevanz hat, sondern auch das Potenzial besitzt, unser Verständnis grund­legender Vorgänge in der Viel­teichen­physik zu verbessern.

U. Innsbruck / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J.-X. Lin et al.: Zero-field superconducting diode effect in small-twist-angle trilayer graphene, Nat. Physics, online 15. August 2022; DOI: 10.1038/s41567-022-01700-1
• Quantum Condensed Matter:´From Field theory to Machine Learning (M. Scheurer), Institut für theoretische Physik, Universität Innsbruck, Österreich