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Supraleiter können dank ultrakurzer Strompulse ihre übliche Grenze überschreiten
Supraleiter verlieren bei zu hoher Stromstärke gewöhnlich ihre Fähigkeit, Strom ohne elektrischen Widerstand zu transportieren. Mit nur etwa zwei Pikosekunden langen Impulsen haben Physiker diese übliche Grenze in Niobnitrid deutlich überschritten. Die für die Supraleitung entscheidenden Elektronenpaare zerfielen erst bei rund dem 2,2-Fachen der herkömmlichen kritischen Stromdichte. Bei einem zweiten Material verlief der Übergang hingegen allmählich.
Hamburg (Deutschland). Supraleiter können elektrischen Strom ohne Widerstandsverluste leiten, solange sie ausreichend gekühlt werden und bestimmte Belastungsgrenzen nicht überschreiten. Möglich wird dies durch sogenannte Cooper-Paare, in denen sich Elektronen zu einem gemeinsamen Quantenzustand zusammenschließen. Ein zu starker Strom kann diesen Zustand zerstören, doch der Zeitpunkt des Zusammenbruchs verrät nicht immer die eigentliche Grenze des Materials.
In vielen technisch interessanten Typ-II-Supraleitern dringen winzige magnetische Flussschläuche in das Material ein. Sobald sie sich unter der Wirkung des Stroms bewegen, verursachen sie Widerstand und Wärme. Deshalb bricht die Supraleitung bei gewöhnlichen Gleichstrommessungen oft schon zusammen, bevor der Strom die Elektronenpaare selbst auseinanderreißt. Wie weit beide Grenzen auseinanderliegen, lässt sich auf diese Weise kaum ermitteln.
Forscher des Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) um Dr. Eryin Wang haben deshalb den Strom nur für extrem kurze Zeit durch supraleitende Proben geschickt. Sie wollten erreichen, dass sich die magnetischen Wirbel während der Messung praktisch nicht bewegen und die eigentliche Stabilitätsgrenze der Cooper-Paare sichtbar wird. Untersucht wurden dünne Schichten aus Niobnitrid und einem kupferoxidbasierten Hochtemperatursupraleiter.
Entscheidend für das Verfahren ist der Zeitunterschied zwischen der Strombelastung und der Bewegung der magnetischen Wirbel. Diese können zwar Geschwindigkeiten von mehreren zehn Kilometern pro Sekunde erreichen, legen innerhalb einer Pikosekunde jedoch nur einige zehn Nanometer zurück. Ein entsprechend kurzer Stromstoß belastet daher die Elektronenpaare, bevor die Wirbel größere Wege zurücklegen und Wärme erzeugen können.
„Unsere Strategie bestand darin, der Wirbeldynamik zu entkommen“, erklärt Dr. Eryin Wang.
Die Versuchsanordnung nutzt lichtgesteuerte elektronische Schalter, die durch grüne Laserpulse von 300 Femtosekunden Dauer aktiviert werden. Daraus entstehen elektrische Impulse von ungefähr zwei Pikosekunden Länge, die über Leitungsbahnen durch die mikrometergroßen Proben laufen. Zum Vergleich untersuchte das Team die Materialien auch mit herkömmlichem Gleichstrom.
Der am Versuch beteiligte Dr. Guido Meier vom MPSD erläutert die technische Grundlage der Messung.
„Um Supraleiter nur wenige Pikosekunden mit Strom zu versorgen, nutzten wir die an unserem Institut entwickelte Plattform für ultraschnellen elektrischen Transport“, sagt Dr. Guido Meier.
Bei einer Temperatur von sieben Kelvin blieb das untersuchte Niobnitrid trotz stark erhöhter Stromdichte zunächst supraleitend. Erst bei ungefähr 220 Milliarden Ampere pro Quadratmeter trat ein abrupter Wechsel des elektrischen Verhaltens auf. Dieser Wert entspricht dem 2,2-Fachen der zuvor mit Gleichstrom ermittelten kritischen Stromdichte von etwa 100 Milliarden Ampere pro Quadratmeter.