Durch den Ersatz eines klassischen Materials durch ein Material mit einzigartigen Quanteneigenschaften haben Physiker einen supraleitenden Schaltkreis geschaffen, der Leistungen erbringen kann, die lange Zeit für unmöglich gehalten wurden.
Die Entdeckung, die von Forschern aus Deutschland, den Niederlanden und den Vereinigten Staaten gemacht wurde, stellt uralte Vorstellungen über die Natur supraleitender Schaltkreise und wie ihre Ströme genutzt und praktische Anwendungen gefunden werden können, auf den Kopf. Hochgeschwindigkeitsschaltkreise mit geringem Abfall, die auf der Physik der Supraleitung basieren, bieten eine hervorragende Gelegenheit, die Supercomputertechnologie auf ein neues Niveau zu heben.
Leider stellen die Eigenschaften, die diese leichte Form des elektrischen Stroms so bequem machen, endlose Herausforderungen bei der Entwicklung supraleitender Versionen gewöhnlicher elektrischer Komponenten dar.
Nehmen Sie zum Beispiel etwas Einfaches wie eine Diode. Diese Grundeinheit der Elektronik ist wie ein Einbahnzeichen für Ströme und stellt ein Mittel zur Verfügung, um die Bewegung von Elektronen zu regulieren, umzuwandeln und abzustimmen.
In supraleitenden Materialien verwischt die Identität dieser einzelnen Elektronen, was zu Partnern führt, die als Cooper-Paare bezeichnet werden und jedem Teilchen in der Partnerschaft die Möglichkeit geben, dem energieraubenden Ruck eines typischeren elektrischen Stroms zu entkommen. Aber ohne die üblichen Widerstandsgesetze war es den Physikern nicht möglich, supraleitende Elektronen dazu zu bringen, sich in die gleiche Richtung zu bewegen, weil sie immer ein sogenanntes "reziprokes" Verhalten zeigen.
Diese grundlegende Annahme, dass die Supraleitung nicht in der Lage ist, die Reziprozität zu brechen (zumindest ohne Manipulation des Magnetfelds), hat sich seit Beginn der Forschung auf diesem Gebiet gehalten. Ehrlich gesagt ist dies eine Hürde, auf die Ingenieure verzichten könnten.
Diese Bemühungen müssen nun nach einem Experiment, das eine Art Verbindung mit einer Quantenkomponente zeigt, die in der Lage ist, selbst Cooper-Paare in eine Einbahnstraße zu lenken, möglicherweise noch einmal überdacht werden. Josephson-Kontakte sind dünne Streifen aus nicht supraleitendem Material, die ein Paar supraleitender Materialien trennen. Wenn das Material dünn genug ist, können Elektronen es ungehindert passieren. Unterhalb eines bestimmten Pegels ist dieser Überstrom spannungslos. Am kritischen Punkt entsteht eine Spannung, die schnell in Wellen schwingt, was in Anwendungen wie Quantencomputern genutzt werden kann.
Dass dieser Strom immer nur in eine Richtung fließt, war bisher mit einem externen Magnetfeld möglich. Aber das Team stellte fest, dass sie bei Verwendung eines zweidimensionalen Gitters auf der Basis von Niobmetall auf das Feld verzichten und sich ausschließlich auf die Quanteneigenschaften des Materials verlassen konnten.
Das Team ist zuversichtlich, dass sie alle Kästchen angekreuzt haben, die zur Untermauerung ihrer Entdeckung erforderlich sind. Es ist jedoch noch ein langer Weg, bis wir Supraleiter als Herzstück der nächsten Generation von Computern sehen.
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