Von japanischer Korbflechtkunst zu Nanotechnologie mit Ionenstrahlen

Ultradichte magnetische Quantengitter in Hochtemperatur-Supraleitern

Die Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern können durch künstliche Defekte gezielt verändert werden. Einem internationalen Forschungsteam um den Physiker Wolfgang Lang an der Universität Wien ist es nun gelungen, die weltweit dichtesten komplexen Nanogitter zur Verankerung von magnetischen Flussquanten, den Fluxonen, herzustellen. Dies wurde durch Bestrahlung des Supraleiters mit einem Helium-Ionen-Mikroskop an der Universität Tübingen erreicht, eine Technologie, die erst seit Kurzem verfügbar ist. Inspiriert wurden die ForscherInnen hierbei von einer traditionellen japanischen Korbflechtkunst. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Journal "ACS Applied Nanomaterials" der renommierten "American Chemical Society" publiziert.

Supraleiter können elektrischen Strom völlig verlustfrei transportieren, wenn sie unter eine gewisse kritische Temperatur gekühlt werden. Allerdings sind reine Supraleiter für die meisten technischen Anwendungen gar nicht geeignet, sondern erst nach kontrollierter Einführung von Defekten. Meistens sind diese zufällig verteilt, jedoch gewinnt die gezielte periodische Anordnung solcher Defekte immer größere Bedeutung.

Fallen und Käfige für magnetische Quantenobjekte
In einen Supraleiter kann ein Magnetfeld nur in quantisierten Portionen, den sogenannten Fluxonen, eindringen. Zerstört man nun die Supraleitung in sehr kleinen Bereichen, werden die Fluxonen an genau diesen Stellen verankert. Mit periodischen Anordnungen derartiger Defekte kann man zweidimensionale "Fluxonen-Kristalle" erzeugen, die ein Modellsystem für zahlreiche interessante Untersuchungen darstellen. Die Defekte dienen hierbei als Fallen für die Fluxonen, und durch Variation von gut zugänglichen Parametern können zahlreiche Effekte untersucht werden. "Allerdings ist es hierfür notwendig, sehr dichte Anordnungen zu realisieren, damit die Fluxonen untereinander wechselwirken können – am besten mit Abständen unter 100 Nanometer, also tausendmal kleiner als der Durchmesser eines Haares", erklärt Bernd Aichner von der Universität Wien.

Besonders im Interesse der ForscherInnen liegen komplexe periodische Anordnungen, wie etwa das von der aktuellen Studie untersuchte quasi-Kagomé Defektgitter, das von einer traditionellen japanischen Korbflechtkunst inspiriert wurde. Die Bambusstreifen eines solchen Kagomé-Musters werden hierbei durch eine Kette von Defekten mit 70 Nanometer Abstand ersetzt. Die Besonderheit dieser künstlichen Nanostruktur ist, dass nicht nur jeweils ein Fluxon pro Defekt verankert werden kann, sondern sich annähernd kreisförmige Fluxonenketten ausbilden, die ihrerseits ein noch freies Fluxon in ihrer Mitte gefangen halten. Derartige Fluxonenkäfige beruhen auf der wechselseitigen Abstoßung von Fluxonen und können durch Änderung des äußeren Magnetfelds geöffnet und geschlossen werden. Sie gelten daher als ein vielversprechendes Konzept zur Realisierung von verlustarmen und schnellen supraleitenden Schaltkreisen mit Fluxonen.

Nanostrukturierung mit dem Helium-Ionen-Mikroskop
Ermöglicht wurden diese Forschungsergebnisse durch ein neuartiges Gerät an der Universität Tübingen – das Helium-Ionen-Mikroskop. Dieses hat zwar ein ähnliches Funktionsprinzip wie das Rasterelektronenmikroskop, besitzt aber wegen der viel kleineren Wellenlänge der Helium-Ionen eine zuvor unerreichte Auflösung und Schärfentiefe. "Mit einem Helium-Ionen-Mikroskop lassen sich die supraleitenden Eigenschaften gezielt verändern, ohne hierbei das Material abzutragen oder zu zerstören. So können wir Fluxonengitter in Hochtemperatur-Supraleitern mit einer Dichte erzeugen, die weltweit einzigartig ist", betont Dieter Koelle von der Eberhard-Karls-Universität in Tübingen. Die WissenschafterInnen planen nun, die Methode für noch kleinere Strukturen weiter zu entwickeln und damit verschiedene theoretisch vorgeschlagene Konzepte für Fluxonen-Schaltkreise zu erproben.

Publikation in ACS Applied Nanomaterials:
"Ultradense Tailored Vortex Pinning Arrays in Superconducting YBa2Cu3O7 Films Created by Focused He Ion-Beam Irradiation for Fluxonics Applications": Bernd Aichner, Benedikt Müller, Max Karrer, Vyacheslav R. Misko, Fabienne Limberger, Kristijan L. Mletschnig, Meirzhan Dosmailov, Johannes D. Pedarnig, Franco Nori, Reinhold Kleiner, Dieter Koelle, and Wolfgang Lang, ACS Applied Nanomaterials (2019)
DOI: 10.1021/acsanm.9b01006

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