Ladungs-Doping für schaltbare Supraleiter

Augsburg/Genf (Schweiz) - Rostende, korrodierte Metalle sind zu nichts nutze: Diese Annahme mag für Autobleche gelten, für bestimmte Metalloxide trifft genau das Gegenteil zu. Viele hochfeste Keramiken, Isolatoren oder Magnete bestehen aus Metalloxiden. Und auf der Nanoskala verblüffen sie Physiker mit neuen, vielseitigen Eigenschaften. So schuf ein Team aus deutschen, französischen und schweizerischen Physikern in den atomaren Grenzschichten zwischen zwei Metalloxid-Kristallen jetzt einen Supraleiter, der nicht nur Strom ohne Widerstand leiten konnte, sondern dessen supraleitende Eigenschaft erstmals sogar schaltbar war. Dieses Ergebnis, das die Forscher in der Zeitschrift "Nature" präsentieren, legt die Grundlage für extrem schnelle und leistungsfähige Computerchips, die ganz ohne den etablierten Halbleiter Silizium auskommen könnten.

"Mit solchen Oxiden hat man man weit mehr Möglichkeiten als mit Halbleitern wie Silizium", sagt German Hammerl, Physiker an der Universität Augsburg und Koautor der Nature-Studie. Um diese Möglichkeiten von supraleitenden Modulen bis zu datenspeichernden Schaltkreisen in Zukunft ausschöpfen zu können, muss das Verhalten von Metalloxiden auf atomarer Ebene verstanden werden und sich kontrollieren lassen. Auf diesem Weg baute Hammerl zusammen mit Kollegen der Universitäten in Genf, Zürich und Paris ein hauchdünnes Sandwich aus Lanthanaluminiumoxid und Strontiumtitanat.

Tiefgekühlt auf etwa minus 273 Grad bildet sich an der Grenzschicht dieser beiden Metalloxide ein Supraleiter aus, mit dem sich Strom ohne jeden Leitungsverlust transportieren lässt. Die Physiker beschreiben diesen Effekt einem so genannten zweidimensionalen Elektronengas in der Grenzschicht zu. In weiteren Versuchen beeinflussten sie diese supraleitende Schicht. Mit äußeren elektrischen Feldern pumpten sie Ladungsträger in diese Grenzschicht herein oder umgekehrt aus ihr heraus. Das Ergebnis: Je nach Ausrichtung und Stärke des elektrischen Feldes baute sich die Supraleitung auf oder brach zusammen. Erstmals lässt sich Supraleitung in einem zweidimensionalen Elektronengas kontrolliert von außen schalten.

Da diese Experimente nur nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt funktionieren, ist an neue supraleitende Kabel beispielsweise für Überlandleitungen nicht zu denken. Aber dieses Ergebnis der Grundlagenforschung zeigt, dass sich physikalische Eigenschaften in Metalloxiden durch elektrische Felder von außen gezielt steuern lassen. Damit nehmen Hammerl und Kollegen eine wesentliche Hürde für die Nutzung von Metalloxiden in zukünftigen Computerschaltkreisen. "Die Kontrolle mit elektrischen Feldern bildet die grundlegenden logischen Zustände für zukünftige Technologien in der Informationsverarbeitung", bewerten Darrell G. Schlom von der Cornell University und Charles H. Ahn von der Yale University die Bedeutung dieser Experimente.

Auch Forscher bei den Chipherstellern weltweit werden diese Versuche mit großem Interesse verfolgen. Denn schon bald wird das Potenzial des Halbleiters Silizium für immer schnellere Prozessoren ausgeschöpft sein. In vielen Laboren wird daher nach geeigneten Materialien für die Chipproduktion in der Post-Silizium-Ära gefahndet. Metalloxide und deren hauchdünnen Grenzschichten gelten als aussichtsreiche Kandidaten und wurden auch schon in der offiziellen Roadmap der Chipentwickler in der Rubrik "Aufkommende Technologien" aufgenommen.

Diese Prozessoren der Zukunft werden Daten nicht nur rasant verarbeiten, sondern sich diese zugleich auch ohne jeden Stromfluss merken können. Arbeits- und Datenspeicher werden dann zu einem einzigen Modul verschmelzen. Solche Prozessoren werden deutlich weniger Strom verbrauchen als heute und zudem das zeitraubende "Hochfahren" oder "Booten" eines Computers überflüssig machen. Neben den Metalloxiden befinden sich noch weitere Ansätze in der Entwicklungs-Pipeline für solche nichtflüchtigen Arbeitsspeicher. Frühestens ist aber erst Mitte des kommenden Jahrzehnts mit ersten, marktfähigen Chips zu rechnen, die es in punkto Leistungsfähigkeit mit herkömmlichen Silizium-Prozessoren aufnehmen können. Und vielleicht werden diese aus oxidierten Metallen bestehen.