Harvard enthüllt Durchbruch in der Hochtemperatur-Supraleiter-Technologie

von Klaus Müller
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High-Temperature Superconductors

Unter der Leitung von Philip Kim hat ein Team von Harvard-Wissenschaftlern einen bahnbrechenden Sprung in der Supraleitertechnologie gemacht, indem es eine Hochtemperatur-Supraleiterdiode unter Verwendung von Kupraten entwickelt hat, ein bedeutender Fortschritt für das Quantencomputing. Diese Innovation stellt einen wichtigen Meilenstein in der Erforschung und Kontrolle exotischer Materialien und Quantenzustände dar. Quelle: SciTechPost.com

Die Produktionsmethodik kann bei der Entdeckung neuer Materialien hilfreich sein.
Das Harvard-Team von Philip Kim ist führend bei der Innovation von Hochtemperatur-Supraleitern mit Kuprat-Einsatz.
Erstellte die erste supraleitende Diode und trieb damit den Bereich der Quantencomputer voran.
Kontrolle der Quantenzustände und des gerichteten Superstroms in BSCCO erreicht.

Supraleiter, die einen einwandfreien und verlustfreien Elektronenfluss ermöglichen, faszinieren Physiker schon lange. Allerdings zeigen diese Materialien ihre quantenmechanischen Eigenschaften typischerweise nur bei extrem niedrigen Temperaturen – knapp über dem absoluten Nullpunkt – was ihren praktischen Einsatz einschränkt.

Philip Kim, Harvard-Professor für Physik und Angewandte Physik, und sein Team haben einen neuartigen Ansatz zur Herstellung und Manipulation von Cupraten, einer Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern, vorgestellt. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für die Entwicklung neuer Formen der Supraleitung in bisher unerreichbaren Materialien.

Mithilfe einer speziellen Technik zur Herstellung von Niedertemperaturgeräten hat Kims Gruppe in der Fachzeitschrift „Science“ einen potenziellen Kandidaten für die erste supraleitende Hochtemperaturdiode vorgestellt. Dieses aus dünnen Kupratkristallen hergestellte Gerät könnte eine wichtige Komponente in aufstrebenden Bereichen wie der Quanteninformatik sein, die auf kurzzeitigen mechanischen Phänomenen beruht, deren Aufrechterhaltung schwierig ist.

Illustration des geschichteten, verdrillten Kuprat-Supraleiters mit Hintergrunddaten. Bildnachweis: Lucy Yip, Yoshi Saito, Alex Cui, Frank Zhao

Kim betont die Machbarkeit von Hochtemperatur-Supraleiterdioden ohne die Notwendigkeit von Magnetfeldern und eröffnet damit neue Möglichkeiten für die Untersuchung exotischer Materialien.

Cuprate, Kupferoxide, sorgten vor Jahrzehnten in der Physik für Aufsehen, indem sie bei Temperaturen supraleitend wurden, die zuvor als unmöglich galten. Die höchste gemessene Temperatur für einen Kuprat-Supraleiter beträgt -225 Fahrenheit. Aufgrund ihrer komplexen elektronischen und strukturellen Eigenschaften ist es jedoch äußerst komplex, mit diesen Materialien zu arbeiten, ohne ihren supraleitenden Zustand zu beeinträchtigen.

Unter der Leitung von SY Frank Zhao, einem ehemaligen Studenten der Griffin Graduate School of Arts and Sciences und derzeit Postdoktorand am MIT, wandte das Team eine luftfreie, kryogene Kristallmanipulationstechnik in hochreinem Argon an. Sie schufen gekonnt eine makellose Grenzfläche zwischen zwei ultradünnen Schichten des Cuprat-Wismut-Strontium-Kalzium-Kupfer-Oxids (BSCCO oder „Bisco“). BSCCO ist ein „Hochtemperatur“-Supraleiter, der bei etwa -288 Fahrenheit supraleitend wird, einer Temperatur, die für Supraleiter relativ hoch ist.

Zhao teilte BSCCO zunächst in zwei Schichten auf, die jeweils ein Tausendstel eines menschlichen Haares breit waren. Dann stapelte er sie bei -130 Grad in einem 45-Grad-Winkel, ähnlich einem falsch ausgerichteten Eiscreme-Sandwich, und bewahrte dabei die Supraleitung an der empfindlichen Grenzfläche.

Das Team stellte fest, dass der maximale Suprastrom, der ohne Widerstand durch die Schnittstelle fließt, je nach Stromrichtung variiert. Wichtig ist, dass sie auch eine elektronische Kontrolle über den Quantenzustand an der Grenzfläche zeigten, indem sie diese Polarität umkehrten. Diese Fähigkeit ermöglichte es ihnen im Wesentlichen, eine schaltbare, supraleitende Hochtemperaturdiode zu entwickeln und damit den Grundstein für die zukünftige Integration in Computertechnologien wie Quantenbits zu legen.

Zhao beschreibt dies als einen ersten Schritt zur Erforschung topologischer Phasen und Quantenzustände, die gegen Imperfektionen resistent sind.

Referenz: „Time-reversal symmetry breaking supraconductivity between Twisted Cuprate Supraconductors“ von SY Frank Zhao et al., 7. Dezember 2023, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abl8371

In Zusammenarbeit mit Marcel Franz von der University of British Columbia und Jed Pixley von der Rutgers University, deren Teams zuvor theoretische Berechnungen zur Vorhersage des Verhaltens des Kuprat-Supraleiters durchgeführt hatten, brachte das Harvard-Team experimentelle Beobachtungen mit neuen theoretischen Entwicklungen von Pavel A. Volkov von der University of Connecticut in Einklang.

Die Forschung wurde von der National Science Foundation, dem Verteidigungsministerium und dem Energieministerium unterstützt.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu Hochtemperatursupraleitern

Was sind die jüngsten Fortschritte der Harvard-Forscher in der Supraleitertechnologie?

Harvard-Forscher unter der Leitung von Philip Kim haben eine supraleitende Hochtemperaturdiode unter Verwendung von Kupraten entwickelt. Diese Innovation ist ein bedeutender Fortschritt im Quantencomputing und der Untersuchung exotischer Materialien und Quantenzustände.

Welchen Beitrag leistet die neue supraleitende Diode zum Quantencomputing?

Die von Harvards Team entwickelte supraleitende Diode stellt eine entscheidende Entwicklung im Quantencomputing dar. Es ermöglicht eine bessere Manipulation und ein besseres Verständnis von Quantenzuständen und erleichtert möglicherweise Fortschritte auf diesem Gebiet.

Was sind Kuprate und warum sind sie in dieser Forschung wichtig?

Cuprate sind eine Klasse von Kupferoxidmaterialien, die bei relativ hohen Temperaturen supraleitend werden. Sie sind in dieser Forschung von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung der Hochtemperatur-Supraleitungsdiode, einem bedeutenden Schritt zum Verständnis und zur Manipulation der Supraleitung.

Wer leitete die Experimente für diese supraleitende Diode und welche Methode wurde verwendet?

Die Experimente für diese supraleitende Diode wurden von SY Frank Zhao geleitet, einem ehemaligen Studenten in Harvard und jetzt Postdoktorand am MIT. Die Methode umfasste eine luftfreie, kryogene Kristallmanipulation in hochreinem Argon, um eine saubere Grenzfläche zwischen Schichten aus Cuprat-Wismut-Strontium-Kalzium-Kupfer-Oxid (BSCCO) zu erzeugen.

Was macht BSCCO im Zusammenhang mit Supraleitern von Bedeutung?

Wismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxid (BSCCO) ist von Bedeutung, da es als Hochtemperatur-Supraleiter gilt und bei etwa -288 Fahrenheit zu supraleiten beginnt. Dies ist im Vergleich zu anderen Supraleitern relativ hoch und für praktische Anwendungen wichtig.

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5 Kommentare

Sarah K Dezember 19, 2023 - 4:02 pm

Wow, Supraleiter bei hohen Temperaturen? das ist verrückt. Ich erinnere mich, dass ich untersucht habe, wie sie nur bei extrem niedrigen Temperaturen funktionierten. Die Zeiten ändern sich schnell!

Antwort
Raj Patel Dezember 19, 2023 - 5:29 pm

Ich habe von Kupraten gehört, wusste aber nicht, dass sie für die Supraleitung so wichtig sind. Toller Artikel, aber auf der technischen Seite könnten etwas mehr Details vertragen, wissen Sie?

Antwort
Dave R Dezember 19, 2023 - 7:29 pm

Das Team von Philip Kim leistet bahnbrechende Dinge! Aber ich denke, der Artikel muss mehr darüber klären, wie sich das auf den Durchschnittsmenschen auswirkt. Supraleiter klingen komplex.

Antwort
Emma Smith Dezember 20, 2023 - 1:50 am

Ist das wirklich machbar? Ich meine, Supraleitung ist bei -288 °F immer noch kalt, oder? Wie wollen sie das in praktische Anwendungen umsetzen? Hat jemand Ideen?

Antwort
Mike Johnson Dezember 20, 2023 - 7:40 am

tolle Arbeit von Harvard! Quantencomputing ist definitiv die Zukunft, das könnte alles verändern ...

Antwort

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