image: The principle of the fabrication of a "quantum egg-box" with a novel masked ion-beam technology, developed by the researchers. It allows to produce at the same time hundreds of thousands of traps for fluxons, magnetic flux quanta, in a superconductor. The picture at the bottom shows an electron-microscope image of the surface of the superconductor with some of these traps. view more
Credit: Copyright: Wolfgang Lang, University of Vienna
Magnetische Quantenobjekte in Supraleitern, sogenannte "Fluxonen", eignen sich besonders für die Speicherung und Verarbeitung von Datenbits. Computerschaltkreise ließen sich damit mit wesentlich höherer Geschwindigkeit bei viel geringerer Wärmeentwicklung herstellen. PhysikerInnen um Wolfgang Lang an der Universität Wien und ihren KollegInnen an der Johannes-Kepler-Universität Linz ist es nun gelungen, mit einer neuartigen und einfachen Methode einen "Quanten-Eierkarton" herzustellen, in dem hunderttausende Fluxonen stabil und regelmäßig angeordnet werden können ein wegweisender Fortschritt für Schaltkreise auf Fluxonen-Basis. Die Ergebnisse erscheinen im neuen Journal Physical Review Applied der renommierten "American Physical Society".
Je schneller Daten in Computern verarbeitet werden, desto größer ist die Wärmeentwicklung, die die Leistungsfähigkeit schneller Computer begrenzt. ForscherInnen versuchen daher seit längerem, digitale Schaltkreise auf der Basis von Supraleitern zu entwickeln jenen seltsamen Materialien, die Strom völlig verlustfrei transportieren können, wenn sie unter eine gewisse kritische Temperatur gekühlt werden.
Magnetische Quantenobjekte in Supraleitern
Innerhalb eines Supraleiters kann ein Magnetfeld nur in kleinsten quantisierten Portionen existieren, den Fluxonen. Diese eignen sich besonders für die Speicherung und Verarbeitung von Datenbits. In einem homogenen Supraleiter ordnen sich die Fluxonen in einem hexagonalen Gitter an. Mit moderner Nanotechnologie ist es ForscherInnen der Universität Wien und der Johannes-Kepler- Universität Linz nun gelungen, künstliche Fallen für Fluxonen zu bauen und diese damit in andere, vorgegebene Anordnungen zu zwingen.
Die Bedeutung des Nicht-Gleichgewichts
Bisher konnten die Fluxonen in derartigen Fallen nur im thermodynamischen Gleichgewicht beobachtet werden, also in einer gleichförmigen Anordnung. "Würden wir versuchen, zwei Eier in einem Eierkarton übereinander zu stapeln und dafür die benachbarte Vertiefung leer lassen, so würde das Ei schnell herunterrollen und den Gleichgewichtszustand mit genau einem Ei in jeder Vertiefung herstellen", erklärt Wolfgang Lang von der Universität Wien. Vom Standpunkt der Datenverarbeitung enthält der vollbesetzte Eierkarton aber kaum Information und ist daher unbrauchbar. Viel nützlicher wäre es da, die einzelnen Plätze in einem vorgegebenen Muster mit Eiern zu besetzen. Damit ließe sich zum Beispiel der von Smartphones bekannte QR-Code im Eierkarton darstellen ganz offensichtlich eine große Menge an Information.
Im Nanobereich ist den ForscherInnen nun ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen, indem sie erstmals einen stabilen Nicht-Gleichgewichtszustand von Fluxonen in einem Gitter aus über 180.000 künstlichen Fallen demonstrieren konnten. Je nach von außen vorgegebenem Magnetfeld ordnen sich die Fluxonen in terrassenförmigen Zonen an, in denen jede Falle entweder kein Fluxon, genau eines, oder sogar mehrere Fluxonen einfängt. "Auch nach einigen Tagen haben wir noch exakt die gleiche Anordnung von Fluxonen beobachtet eine für ein Quantensystem überraschende Langzeitstabilität", berichtet Georg Zechner von der Universität Wien als Erstautor der Studie.
Nanostrukturierung von Supraleitern mit Ionenstrahlen
Möglich wurden diese Forschungsergebnisse durch eine neuartige Methode, die von den Linzer und Wiener ForscherInnen gemeinsam mit dem Wiener High-Tech Unternehmen IMS Nanofabrication AG entwickelt wurde. "Maskierte Ionenbestrahlung erlaubt die Herstellung von Nanostrukturen in Supraleitern in einem einzigen Verfahrensschritt, ist zeitökonomisch auf große Flächen anwendbar und daher auch industriell skalierbar und benötigt keine chemischen Prozesse", betont Johannes D. Pedarnig vom Institut für Angewandte Physik der Johannes-Kepler-Universität Linz. Je nach verwendeter Maske lassen sich damit nahezu beliebige Strukturen in den Supraleiter schreiben. Die WissenschafterInnen planen nun weitergehende Experimente an komplizierteren Nanostrukturen, die den gezielten Transport von Fluxonen von einer zur nächsten Falle demonstrieren sollen. Dies könnte ein weiterer wegweisender Schritt für die Entwicklung von schnellen Computerschaltkreisen auf der Basis von Fluxonen sein.
Publikation in Physical Review Applied:
"Hysteretic vortex matching effects in high-Tc superconductors with nanoscale periodic pinning landscapes fabricated by He ion beam projection technique":
G. Zechner, F. Jausner, L. T. Haag, W. Lang, M. Dosmailov, M. A. Bodea, J. D. Pedarnig
Phys. Rev. Applied 8, 014021, 21.Juli 2017
doi: 10.1103/PhysRevApplied.8.014021
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.8.014021
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Electronic Properties of Materials
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Journal
Physical Review Applied