Faszination Technik Supraleiter ermöglichen neue Generation von Schalttechnik

Von Sebastian Hofmann

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: die supraleitende Diode.

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Egal ob am Handy oder am Laptop: Herkömmliche Rechner erhitzen sich nach einer gewissen Zeit, weil die Schalttechnik im Inneren ständig winzige Ströme schließt und öffnet. Eine neue Entwicklung der Uni Regensburg könnte das ändern.
Egal ob am Handy oder am Laptop: Herkömmliche Rechner erhitzen sich nach einer gewissen Zeit, weil die Schalttechnik im Inneren ständig winzige Ströme schließt und öffnet. Eine neue Entwicklung der Uni Regensburg könnte das ändern.
(Bild: ©BullRun - stock.adobe.com)

15,8 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde – was vor 50 Jahren nicht einmal ein Großrechner hinbekam, schafft heute mühelos jedes neue I-Phone. Viel bekommen wir Nutzer davon freilich nicht mit, außer dass sich das Gerät nach einigen Minuten leicht erhitzt. Dieser Effekt entsteht dadurch, dass bei den elektronischen Berechnungen des Smartphones winzige Ströme kontrolliert und andauernd geöffnet beziehungsweise geschlossen werden. Der elektrische Widerstand in der Schalttechnik erzeugt Wärme.

Was Handynutzer erst einmal nicht weiter besorgen dürfte, kann bei leistungsstärkeren Rechnern allerdings zu Problemen führen: Eine zu große Hitzeentwicklung schädigt elektronische Bauteile und lässt den Energieverbrauch unnötig ansteigen. Ein Team aus Forschenden vom Institut für experimentelle und angewandte Physik der Uni Regensburg untersucht jetzt Wege, diese Gefahr zu vermeiden. Ihre Idee: Traditionelle Dioden durch supraleitende Gegenstücke ersetzen.

Was sind Supraleiter?

Supraleiter sind Materialien, deren elektrischer Widerstand praktisch gegen Null geht. Sie leiten also Strom, ohne dabei Energie in Form von Wärme zu verlieren.

Wie funktioniert eine Diode?

Die Diode ist ein Übergang zwischen zwei Halbleitern mit unterschiedlicher Dotierung. Durch ihn fließt der Strom in die eine Richtung leicht, also mit geringem Widerstand, in die andere Richtung schwer, also mit hohem Widerstand. Die Richtung hängt davon ab, ob die Polarität der angelegten Spannung mit der Dotierungspolarität in der Diode übereinstimmt.

„Die größte Herausforderung beim Bau einer supraleitenden Diode besteht darin, dass Supraleiter nicht zwischen links und rechts unterscheiden“, erklärt Nicola Paradiso, Forschende an der Uni Regensburg. „Ihr Widerstand ist gleich null, egal in welche Richtung der Strom fließt.“ Um dieses Problem zu lösen, nutzen die Wissenschaftler ein besonderes Material: Indiumarsenid, einen Halbleiter, der aus relativ schweren Elementen besteht. Dabei handelt es sich zwar nicht um einen Supraleiter, Indiumarsenid kann aber zwischen zwei gewöhnlichen supraleitenden Leitern (etwa Aluminium) einen widerstandslosen Strom aufrechterhalten. Dadurch entsteht ein so genannter Josephson-Übergang.

Wissenschaftler machen sich physikalischen Effekt zunutze

Beim Josephson-Übergang handelt es sich um einen physikalischen Effekt, der den Strom zwischen zwei Supraleitern beschreibt: Die Elektronen „spüren“ das große elektrische Feld der schweren Dioden-Ionen als Magnetfeld. Dieses beeinflusst ihr inneres magnetisches Moment, ihren Spin, und erzeugt so eine Spin-Bahn-Kopplung.

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Dieser Trick ist der Schlüssel dazu, dass die Elektronen zwischen links und rechts „unterscheiden“ können. Aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung zeigt der Spin nämlich je nach Ausbreitung in eine andere Richtung. Wird ein zusätzliches Magnetfeld in der Ebene quer zur Stromrichtung angelegt, bricht dessen Kopplung mit den Spins schließlich die Symmetrie zwischen den beiden Strompolaritäten. Die kritischen Werte für den rechts beziehungsweise links fließenden Strom sind dadurch unterschiedlich. Um die Diode zu verwenden, muss nun nur noch ein Stromwert zwischen den beiden kritischen Strömen angelegt werden.

Und welche Vorteile brächte eine supraleitende Diode nun für die Technik? Die Demonstration könnte den Weg zur Realisierung völlig widerstandsfreier Schaltungskomponenten öffnen, heißt es von den Forschenden. Solche Bauteile würden eine neue Generation von Schaltungen ermöglichen, die weder Energie verschwenden noch die entstehende Wärme mühsam abführen müssen.

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