Der supraleitende Diodeneffekt in Josephson-Kontakten aus einem strukturell chiralen Supraleiter

Warum einseitige Supraströme wichtig sind

Elektronik beruht auf Dioden – winzigen Bauteilen, die Strom nur in eine Richtung fließen lassen. Stellen Sie sich nun eine Diode vor, die nicht in normalen Metallen oder Halbleitern wirkt, sondern in einem Supraleiter, in dem Strom ohne Widerstand fließen kann. Eine solche „supraleitende Diode“ könnte Energieverluste in der Datenverarbeitung und in Quantentechnologien erheblich reduzieren. Dieser Beitrag untersucht, ob eine spezielle Kristallform, deren Atome ein links- oder rechtsgängiges Spiralmuster bilden, dazu verwendet werden kann, ein solches einseitiges, verlustfreies Bauelement zu realisieren.

Materie in Links und Rechts verdrehen

Die Forschenden konzentrieren sich auf ein Material namens Mo3Al2C, einen Supraleiter, dessen Atome eine chirale, also handhafte Anordnung zeigen – ähnlich wie linke und rechte Hände Spiegelbilder sind, sich aber nicht zur Deckung bringen lassen. Diese Kristalle treten in zwei spiegelbildlichen Varianten auf: rechts- und linksdrehend. Theorie und frühere Experimente an anderen chiralen Systemen legen nahe, dass eine solche Händigkeit dazu führen kann, dass bewegte Elektronen eine Spin- oder Richtungspräferenz entwickeln, ein Phänomen, das als chirality-induced spin selectivity bezeichnet wird. Wenn sich diese Voreingenommenheit in einem Supraleiter nutzen lässt, könnte sie eine eingebaute Richtungsvorliebe für widerstandsfreien Strom erzeugen – das Wesentliche einer supraleitenden Diode.

Kristalle zusammenpressen, um ein Superbauelement zu bauen

Statt atomar dünner Schichten, die bei chiralen Supraleitern schwer herzustellen sind, verwendete das Team makroskopische Einkristalle mit natürlich ebenen Flächen. Sie pressten zwei Kristalle so sanft aufeinander, dass ihre Flächen eine schmale Barriere bildeten, ähnlich einem sehr dünnen Isolationsfilm zwischen zwei Blöcken. Dieser Kontaktbereich wirkt als Josephson-Kontakt – eine schwache Verbindung, durch die Elektronenpaare tunneln können und dennoch als kohärenter Suprastrom auftreten. Die Autorinnen und Autoren bauten zwei Gerätetypen: solche, bei denen beide Seiten dieselbe Händigkeit hatten (rechts/rechts) und solche, bei denen eine Seite rechtshändig und die andere linkshändig war (rechts/links). Anschließend kühlten sie die Geräte auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt und verschalteten sie, um zu messen, wie viel Strom fließen kann, bevor der supraleitende Zustand zusammenbricht.

Beobachtung des Suprastroms unter einem magnetischen Stupser

Um zu bestätigen, dass ihre gepressten Schnittstellen tatsächlich wie Josephson-Kontakte funktionieren, legten die Forschenden ein kleines Magnetfeld parallel zur Kontaktfläche an und verfolgten, wie sich der maximale Suprastrom änderte. In idealen Kontakten erzeugt dies ein wellenartiges Muster, das an Lichtbeugung an einem Spalt erinnert. Die rechts/links- und eines der rechts/rechts-Geräte zeigten solche Fraunhofer-ähnlichen Oszillationen, ein Hinweis auf echtes Josephson-Verhalten, während ein rechts/rechts-Gerät sich anders verhielt, vermutlich aufgrund einer nicht-uniformen Stromverteilung. Entscheidend verglich das Team, wie viel Strom in positiver Richtung (Ic+) gegenüber negativer Richtung (|Ic−|) fließen konnte, während sie das Magnetfeld durchfuhren und die Messungen vielfach wiederholten, um Statistik aufzubauen.

Den einseitigen Suprastrom finden

In den Geräten mit gemischter Händigkeit waren Ic+ und |Ic−| bei vielen Magnetfeldwerten nicht gleich: Die Kontaktstelle leitete in eine Richtung mehr Suprastrom als in die andere, mit einer Asymmetrie von bis zu etwa fünf Prozent. Außerdem wechselte die bevorzugte Stromrichtung, wenn sich das Magnetfeld änderte, was zeigt, dass der Effekt einstellbar und robust und nicht nur zufälliges Rauschen ist. Im Gegensatz dazu zeigte das gleichhändige Kontrollgerät nahezu identisches Verhalten für positiven und negativen Strom, was auf keinen intrinsischen Diodeneffekt hindeutet. Ein weiteres gleichhändiges Kontaktstück wies verzerrte Muster auf, die die Autorinnen und Autoren gewöhnlichen selbstinduzierten Magnetfeldern zuschreiben und nicht einer echten eingebauten Richtwirkung. Durch sorgfältigen Vergleich aller Geräte argumentieren sie, dass nur die Schnittstelle zwischen entgegengesetzt gehändigten Kristallen bei angelegtem Feld einen echten supraleitenden Diodeneffekt erzeugt.

Was das für künftige Elektronik bedeutet

Für Nicht-Fachleute lautet die wichtigste Erkenntnis: Eine einfache mechanische Anordnung – das Zusammenpressen zweier winziger, spiegelbildlicher supraleitender Kristalle – kann ein Bauelement erzeugen, in dem widerstandsfreier Strom bei Anlegen eines kleinen Magnetfelds eine Richtungspräferenz hat. Dieses Verhalten tritt nicht auf, wenn beide Kristalle dieselbe Händigkeit besitzen, was die Bedeutung struktureller Chiraliät an der Grenzfläche unterstreicht. Zwar ist der beobachtete Effekt im Vergleich zu einigen anderen supraleitenden Dioden moderat, doch er demonstriert eine neue Plattform: dreidimensionale, strukturell chirale Materialien. Mit besserer Kontrolle über Kristallorientierung und Grenzflächenqualität könnte dieser Ansatz zu effizienteren, kompakten supraleitenden Bauteilen führen, die Supraströme ähnlich steuern, wie heutige Dioden gewöhnliche elektrische Ströme lenken.

Zitation: Orban, P.T., Bassen, G., Crites, E.N. et al. The superconducting diode effect in Josephson junctions fabricated from a structurally chiral superconductor. Commun Phys 9, 124 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02564-0

Schlüsselwörter: supraleitende Diode, Josephson-Kontakt, chiraler Supraleiter, nichtreziproker Transport, Spin-Selektivität