Reentrante Supraleitung in einem natürlich vorkommenden Josephson‑Junction‑Array, durch Hochfrequenzleistung gesteuert

Elektrische Ströme, die ohne Antrieb fließen

Meistens geht beim Fließen von Strom durch einen Draht Energie in Form von Wärme verloren. Supraleiter sind besondere Materialien, in denen Strom ohne diesen Verlust fließen kann, doch sie funktionieren in der Regel nur unter sehr strengen Bedingungen aus niedriger Temperatur und schwachem Magnetfeld. Diese Studie untersucht eine ungewöhnliche Variante dieses Verhaltens, bei der ein Supraleiter scheinbar abgeschaltet und dann wieder eingeschaltet wird, wenn die Bedingungen verändert werden, und dabei eine reichhaltige verborgene Physik offenbart, die beim Entwurf künftiger Quantengeräte nützlich sein könnte.

Ein einfaches Material mit einem verborgenen Netzwerk

Die Forscher konzentrieren sich auf körniges Aluminium, eine dünne Schicht aus unzähligen winzigen supraleitenden Metallkörnern, die durch dünne isolierende Barrieren getrennt sind. Zusammen bilden diese Körner ein natürliches Netzwerk schwacher Verbindungen für Elektronen, das in der Physik als Josephson‑Junction‑Array bekannt ist. Obwohl jede Verbindung einfach ist, kann das gesamte Netzwerk komplexes kollektives Verhalten zeigen. Körniges Aluminium ist attraktiv, weil seine Körner extrem klein sind, wodurch Quanten­effekte stark ausgeprägt sind und die Wissenschaftler die Beweglichkeit der Elektronen zwischen den Körnern fein einstellen können.

Radiowellen als Einstellknopf

Anstatt das Material für jede Veränderung neu herzustellen, nutzte das Team Hochfrequenzleistung als Fernsteuerung. Sie sendeten ein Funksignal durch das Bauteil, während gleichzeitig ein kleiner Gleichstrom angelegt und Temperatur sowie Magnetfeld variiert wurden. Durch schrittweises Erhöhen der Radioleistung konnten sie das System von einem glatten, vollständig supraleitenden Zustand in einen isolierenden Zustand treiben, in dem der Strom stark blockiert ist und der Widerstand zehnmal höher wird als im gewöhnlichen, nicht‑supraleitenden Metallzustand. Bei niedrigen Temperaturen beobachteten sie außerdem große Plateaus in der Spannung bei Variation des Stroms, bekannt als riesige Shapiro‑Stufen, die darauf hinweisen, dass viele schwache Verbindungen im Netzwerk im Gleichschritt wie eine einzige, gut koordinierte Junction agieren.

Ein Supraleiter, der geht und zurückkommt

Der auffälligste Effekt zeigte sich, als das Team die Widerstandsänderung als Funktion von Temperatur und Radioleistung abbildete. Bei einer bestimmten Radioleistung beginnt das Material bei sehr niedriger Temperatur supraleitend, wird dann bei steigender Temperatur isolierend und wird anschließend, unerwarteterweise, bei noch höherer Temperatur wieder supraleitend, bevor es schließlich in einen normalen Metallzustand übergeht. Mit anderen Worten: die perfekte Leitfähigkeit verschwindet, taucht wieder auf und verschwindet erneut, während die Probe erwärmt wird. Ein ähnliches Wiederauftreten der Supraleitung zeigt sich auch unter geeigneten Bedingungen bei Anlegen eines Magnetfeldes.

Viele Teilchen wirken gemeinsam

Um dieses rätselhafte Wiederauftreten der Supraleitung zu erklären, vergleichen die Autoren ihre Ergebnisse mit einem theoretischen Bild, das für Netzwerke schwacher Verbindungen entwickelt wurde. In diesem Bild spielt nicht nur die Leichtigkeit des Stromflusses zwischen Körnern eine Rolle, sondern auch, wie stark elektrische Ladung auf jedem Korn fixiert ist. Bei höheren Temperaturen können bewegliche geladene Teilchen im Array die Abstoßung zwischen Ladungen abschirmen oder abschwächen und damit die Strafe für das Bewegen von Ladung von Korn zu Korn effektiv verringern. Obwohl höhere Temperatur normalerweise der Supraleitung schadet, kann sie in diesem Netzwerk durch Reduzierung dieses Fixiereffekts den kooperativen Zustand begünstigen. Dieses Vielteilchenverhalten geht über das hinaus, was eine einzelne schwache Verbindung zeigen kann.

Warum das für künftige Technologie wichtig ist

Messungen und Modellierung zusammen zeigen, dass ein einfach wirkendes körniges Metall als kontrollierbarer Spielplatz für komplexe Quantenzustände dienen kann. Durch Einstellen von Radioleistung, Temperatur und Magnetfeld kann dasselbe Bauteil zwischen einem starren supraleitenden Zustand, einem von Quantenfluktuationen dominierten isolierenden Zustand und einem reentranten supraleitenden Zustand, der durch Vielteilchenscreening angetrieben wird, umgeschaltet werden. Diese Vielseitigkeit deutet darauf hin, dass körnige Supraleiter als Bausteine für neue Quantenschaltungen und als Modellsysteme zum Studium überraschender kollektiver Effekte großer Quantennetzwerke dienen könnten.

Zitation: Avraham, S., Sankar, S., Sandik, S. et al. Reentrant superconductivity in a naturally occurring Josephson junction array tuned by radio-frequency power. Nat Commun 17, 4734 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71256-8

Schlüsselwörter: reentrante Supraleitung, körniges Aluminium, Josephson‑Junction‑Array, Hochfrequenzabstimmung, quantische Phasenübergänge

Mehr auf der Website der Forschungsgruppe: https://daganlab.sites.tau.ac.il/