Superströme: Physiker beobachten Tunnelphänomen zwischen Supraleitern

Gif-sur-Yvette (Frankreich) - Supraleiter können tiefgekühlt nicht nur Strom ohne Widerstand leiten. Sie eignen sich auch zum Bau vielseitiger Module mit einzigartigen Eigenschaften, etwa als Schalter für Superströme, Mikrowellensender oder hochempfindliche Sensoren für Magnetfelder. Die quantenphysikalischen Phänomene, die dies ermöglichen, konnte nun eine französische Physikergruppe experimentell nachweisen. Mit einer ausgeklügelten Methode beobachten sie sogenannte Tunnelströme im Detail und erläutern ihr Experiment in der Fachzeitschrift „Nature“. Auf der Basis ihrer Versuche könnten nun neue Einheiten für extrem leistungsfähige Quantencomputer entwickelt werden.

„Zum ersten Mal konnten wir einen versteckten Freiheitsgrad in Josephson-Kontakten nachweisen, die bisher völlig übersehen wurden bei der Entwicklung von Supraleiter-Elektronik“, sagt Cristián Urbina von der Quantronics Group am Forschungsinstitut Iramis in Gif-sur-Yvette nahe Paris. Diese Josephson-Kontakte bestehen aus zwei Supraleitern, die von einer kleinen isolierenden Barriere voneinander getrennt sind. Doch diese Barriere kann über Tunneleffekte überwunden werden und zu einer widerstandslosen Leitung von Superströmen führen. Genau dieses Tunnelphänomen konnten Urbina und Kollegen nun im Detail experimentell aufklären und fanden eine sehr gute Übereinstimmung mit älteren, theoretischen Modellen.

Für diesen Nachweis stellten die Physiker mit einem einzigen Atom einen Kontakt zwischen den beiden Supraleitern her. Über diese atomare Brücke konnten gepaarte Elektronen, sogenannte Cooper-Paare, von einem Supraleiter zum anderen per Tunneleffekt gelangen. Eine ausgeklügelte Spektroskopie-Methode offenbarte nun, dass dabei spezielle quantenphysikalische Zustände eine entscheidende Rolle spielten. Diese tragen den Namen des russischen Physikers Alexander F. Andreev, der diese Zustände bereits vor Jahrzehnten theoretisch vorhersagte. Doch die direkte Messung dieser Andreev-Zustände gelang erst jetzt.

Mit diesem Experiment konnte nicht nur eine grundlegende Theorie zu Tunneleffekten in Josephson-Kontakten bestätigt werden. Laut Christián Urbina könnten die Andreev-Zustände selbst zum Bau neuer Basiseinheiten für extrem leistungsfähige Quantencomputer, sogenannte Qubits, geeignet sein. Weitere Experimente sind aber notwendig, um diese Prognose von Urbina zu bestätigen.