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Dienstag, 23.05.2017
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Quanten auf dem Förderband

Magnetische Einheiten im Supraleiter mittels Schallwellen beeinflusst

Nicht mehr nur die Elektronen, sondern deren Magnetfelder könnten zukünftig die Basis für die Datenverarbeitung bilden. Wissenschaflern ist es jetzt gelungen, kleinste magnetische Einheiten, die so genannten Flussquanten, in einem Supraleiter mithilfe von Schallwellen gezielt zu beeinflussen.
Elektronen mit Down- und Up-Spin

Elektronen mit Down- und Up-Spin

Bei der Suche nach neuen Rechenmöglichkeiten haben Wissenschaftler inzwischen auch die magnetischen Eigenschaften der Elektronen („Spin“) im Blick. Und sie untersuchen den magnetischen Fluss (engl. Flux). „Elektronen sind nicht einfach lokalisierbar, und ihre Spins sind flüchtig“, erläutert Carsten Hucho vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik. „Das Problem haben wir bei den Flussquanten nicht.“ Denn die winzigen Magnetfelder bleiben permanent bestehen. Ziel der so genannten Fluxtronik ist es daher, Information („bits“) über diese magnetischen Elemente zu repräsentieren – Nullen und Einsen als magnetisch Nord und Süd.

Anders als in handelsüblichen Festplatten, in denen die magnetische Ausrichtung kleinster Areale genutzt wird, um Daten zu speichern, sind die Flussquanten im Material relativ frei verschiebbar. „Würden Computer auch mit magnetischen Flussquanten rechnen“, so Hucho, „dann wäre eine weitaus schnellere Datenverarbeitung als heute möglich.“

Magnetfelder in Vortextform


Wie muss man sich so ein lokales Magnetfeld vorstellen? In Schulbüchern werden Magnetfelder durch Feldlinien dargestellt, gleichsam eine Ansammlung von Fäden. In bestimmten Typen von Supraleitern ordnet sich das Magnetfeld tatsächlich in Form von quantisierten magnetischen Einheiten an, die sich wie Fäden durch das Material schlängeln. Jeder dieser „Vortex“ genannten Fäden trägt dabei die kleinste Menge von magnetischem Fluss – ein Flussquant.


Die magnetische Feldstärke ist durch die Anzahl solcher Flussquanten pro Flächeneinheit gegeben. Das heißt dann auch: Je stärker ein von außen angelegtes Magnetfeld auf den Supraleiter einwirkt, desto dichter gepackt sind die Vortices – desto mehr Vortices pro Flächeneinheit stehen zur Verfügung. Solche kleinsten magnetische Einheiten gäben eine hochattraktive Möglichkeit, Daten zu speichern und zu bearbeiten, wenn man die Vortices nach Wunsch anordnen und wieder verschieben könnte. Genau das hat das Team um Carsten Hucho gezeigt.

Bislang war bekannt, dass sich die Flussquanten in Abhängigkeit von der Temperatur und vom angelegten Magnetfeld entweder in einer symmetrischen Struktur anordnen wie ein Kristall oder der mehr oder weniger geordneten Struktur von Störstellen im Supraleiter folgen. Um nun eine frei definierbare Verschiebung der Vortices zu erreichen, ersannen die Forscher einen Trick: Sie beeinflussten magnetische Feldlinien in einem Supraleiter mit Schall, genauer gesagt mit akustischen Oberflächenwellen (englisch: surface acoustic waves, SAW). Der Supraleiter bestand aus einem dünnen Film Yttrium-Barium-Kupferoxid auf einem kristallinen Substrat.

Streifenstruktur im Supraleiter


Die Forscher zeigten, dass die akustischen Oberflächenwellen in einer bestimmten experimentellen Konstellation die Eigenschaften des Supraleiters an dessen Oberfläche verändern. Es bildet sich eine Streifenstruktur von besser und schlechter supraleitenden Bereichen, die sich mit Schallgeschwindigkeit an der Grenzfläche zwischen supraleitendem Film und tragendem Substrat bewegt. Da sich magnetische Flussquanten bevorzugt in Bereichen mit schwächerer Supraleitung aufhalten, werden diese von der vorbeilaufenden Streifenstruktur mitgenommen – die Vortices bewegen sich in eine durch das Schallfeld vorgegebene Richtung wie auf einem Förderband.

Mit fokussiertem Schall lassen sich Hucho zufolge Vortices bündeln, mit einer Kombination von Schallwellen könne man Vortex-Antivortex-Paare erzeugen. „Das eröffnet auch jenseits der Datenverarbeitung Anwendungsfelder“, sagt Hucho, „beispielsweise könnten wir uns vorstellen, magnetische Mikropartikel mit zu transportieren.“ Dieser Vorgang wäre vor allem für die medizinische Analytik interessant. Winzige Untersuchungseinheiten auf Chips gibt es bereits. Künftig könnte solch ein „Lab on a Chip“ mit einem magnetischen Flussquanten-Förderband ausgestattet werden.
(Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), 30.04.2007 - NPO)
 
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