Manipulation von Fluxonen mittels nanoskalierter Haftgitter

Supraleitung ist ein faszinierendes Phänomen, bei dem viele ungelöste grundlegende Fragen zu untersuchen sind. Sie ist aber auch für neuartige und umwälzende Technologien von enormer Bedeutung. Neben den bekannten Anwendungen des nahezu verlustfreien Energietransports in supraleitenden Kabeln und der Erzeugung starker Magnetfelder durch supraleitende Spulen machen die jüngsten Fortschritte bei der Nanostrukturierung von Supraleitern diese zu vielversprechenden Kandidaten für neuartige Quantentechnologien. In einem Supraleiter kann ein Magnetfeld nur in kleinen quantisierten Portionen existie re n, die al s Fluxonen oder Flussschläuche bezeichnet werden. In einem homogenen und reinen Supraleiter sind die Fluxonen in einem hexagonalen Gitter angeordnet. Durch die systematische Erzeugung von De fekten können die Eigenschaften von Supraleitern verändert werden, um so eine Kontrolle de r Fl uxone n zu ermöglichen, beispielsweise indem sie durch Fallen in vordefinierte Positionen gezwungen werden. Während die keramische Natur und die komplizierte Kristallstruktur der Kupferoxid- Hochtemperatursupraleiter eine Herausforderung für ihre technische Anwendbarkeit darstellen, wird die letztere Eigenschaften in diesem Projekt vorteilhaft angewendet, um supraleitende Nanostrukturen mit beispielloser Auflösung herzustellen. Punktförmige Defekte werden durch Bestrahlung mit Heliumionen mittlerer Energie erzeugt und damit wird die Supraleitung lokal unterdrückt. Diese einzelnen kleinen Bereiche aus nicht-supraleitendem Material dienen als Falle n für die Fluxonen und bilden zusammen ein großflächiges Gitter aus Haftstellen. Durch Schattenprojektion eines breiten Ionenstrahls durch eine Maske oder durch den fokussierten Strahl eines Helium-Ionenmikroskops können diese Haftstellengitter im Nanomaßstab mit beispiellos geringen Abständen in Kupferoxid-Supraleitern erzeugt werden. Dies führt zu einer vi e l stärkeren Wechselwirkung zwischen den Fluxonen, als dies in früheren Experimenten möglich war, und öffnet die Tür zur Untersuchung vieler neuartiger Phänomene. Die wissenschaftlichen Ergebnisse dieses Projekts können erhebliche Auswirkungen auf das Verständnis der Physik von Fluxonen, die Erforschung neuer funktionalisierter Materialien und di e Entwicklung ultraschneller supraleitender Schaltkreise mit geringer Verlustleistung haben als auch zu Verbesserungen von kleinen hochempfindlichen Magnetfeldsensoren (SQUIDs) aus Supraleitern führen. Dieses Forschungsprojekt wird in enger Zusammenarbeit von drei Expertengruppen der Universität Wien, der Johannes Kepler Universität Linz und der Eberhard Karls Universität in Tübingen durchgeführt. Theoretische Unterstützung mit molekulardynamischen Simulationen wird von Forschern an der Universität Antwerpen geleistet und eine Visualisierung der Fluxonenstrukturen wird an der Universidad Autnoma de Madrid durchgeführt.

Seit Oktober 2020 befasste sich unser Forschungsprojekt mit neuen Wegen zur Verbesserung der Eigenschaften von Hochtemperatursupraleitern, also Materialien, die bei relativ hohen Temperaturen elektrischen Strom ohne Widerstand leiten können. Ein Hauptaugenmerk lag darauf, zu verstehen, wie nanoskopische Defekte, die durch Helium-Ionen-Bestrahlung erzeugt werden, mit "Abrikosov-Wirbeln" interagieren. Dabei handelt es sich um winzige Stromwirbel, die ein magnetisches Flussquant tragen und in Supraleitern unter starkem elektrischem Strom oder in einem äußeren Magnetfeld entstehen. Wenn diese Wirbel nicht fixiert werden, bewegen sie sich und verursachen Energieverluste, die den Vorteil der Widerstandslosigkeit des Supraleiters zunichte machen. Das Verständnis und die Kontrolle der Wirbel ist eine zentrale Herausforderung für praktische Anwendungen von Supraleitern. Unser Forschungsansatz nutzt fokussierte Helium-Ionen-Bestrahlung, um nanoskopische Defekte in den Kuprat-Supraleiter YBaCuO (YBCO) einzubringen. Durch Computersimulationen des Zusammenstoßes von Helium-Ionen mit Atomen in dünnen YBCO-Filmen haben wir die optimalen Bedingungen für die Entstehung dicht gepackter Defektzylinder ermittelt. Diese Defekte fungieren als wirksame Verankerungen, sogenannten "Pinning"-Zentren, für die Wirbel. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen haben unsere Projektpartner an der Universität Tübingen einen fokussierten 30 keV Helium-Ionenstrahl eingesetzt, um ultra-dichte Muster von Pinning-Zentren zu erzeugen. Messungen in Wien ergaben ein beispiellos hohes Kommensurabilitätsfeld von 6 Tesla für ein dreieckiges Defektgitter mit nur 20 Nanometern Abstand zwischen den künstlichen Defektzylindern. Diese hochmoderne Herstellungstechnologie eröffnete den experimentellen Zugang zu neuen Bereichen der Supraleiterphysik. Wir haben eine "geordnete Bose-Glas"-Phase in nanostrukturierten YBCO-Filmen vorgeschlagen, in der sich die Wirbel unter bestimmten Bedingungen zu einer einzigartigen glasartigen Struktur mit bemerkenswerten Eigenschaften anordnen. Interessanterweise trat der Nullwiderstand in den nanostrukturierten Proben bei hohen Magnetfeldern neuerlich auf und sie zeigten den theoretisch vorhergesagten "transversalen Meissner-Effekt", bei dem die Wirbelanordnung jeder Kippung des Magnetfelds widersteht. Ergänzende Studien zur Wirbelbewegung in metallischen Supraleitern halfen uns zu verstehen, wie Kantenrauhigkeit und winzige Schlitze and den Kanten der Proben den Fluss der Wirbel steuern können. Zusätzlich zu YBCO hat das Projekt die Synthese und Analyse anderer Hochtemperatursupraleiter durch unsere nationalen Forschungspartner an der Johannes Kepler Universität in Linz angeregt, wie z.B. des hoch anisotropen BiSrCaCuOx (Bi-2212). Detaillierte Messungen ergaben seine hervorragenden supraleitenden Eigenschaften. Vorläufige Experimente deuten darauf hin, dass die Nanostrukturierung durch fokussierte Helium-Ionenbestrahlung auch bei Bi-2212-Dünnschichten möglich ist. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts sind von unmittelbarer Bedeutung für Anwendungen, die unter extremen Bedingungen einen Null-Widerstand erfordern, wie z. B. leistungsstarke Elektromagnete für die medizinische Bildgebung. Die fortschrittlichen Techniken für die Nanostrukturierung dieser komplexen Materialien sind für die Herstellung supraleitender Schaltkreise und Sensoren unerlässlich, möglicherweise bis in den Bereich des Quantencomputings. Wir gehen davon aus, dass die weitere Forschung im Rahmen unseres Netzwerks von Kooperationspartnern noch mehr der faszinierenden Quanteneigenschaften dieser bemerkenswerten Materialien aufdecken wird.