De eigenschappen van hoge-temperatuur-supergeleiders kunnen worden aangepast door kunstmatige defecten in te voeren. Een internationaal onderzoeksteam rond natuurkundige Wolfgang Lang aan de Universiteit van Wenen is erin geslaagd om 's werelds dichtste complexe nano-arrays te produceren voor het verankeren van fluxquanta, de fluxen. Dit werd bereikt door de supergeleider te bestralen met een helium-ionmicroscoop aan de Universiteit van Tübingen, een technologie die pas sinds kort beschikbaar is. De onderzoekers lieten zich inspireren door een traditionele Japanse mandenvlechtkunst. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in ACS toegepaste nanomaterialen , een tijdschrift van de gerenommeerde American Chemical Society.

Supergeleiders kunnen elektriciteit zonder verlies transporteren als ze onder een bepaalde kritische temperatuur worden gekoeld. Echter, pure supergeleiders zijn niet geschikt voor de meeste technische toepassingen, maar alleen na gecontroleerde introductie van defecten. Grotendeels, deze zijn willekeurig verdeeld, maar tegenwoordig wordt de op maat gemaakte periodieke regeling van dergelijke defecten steeds belangrijker.

Vallen en kooien voor magnetische kwantumobjecten in supergeleiders

Een magnetisch veld kan alleen in gekwantiseerde delen doordringen in een supergeleider, de zogenaamde fluxons. Als supergeleiding wordt vernietigd in zeer kleine regio's, de fluxons zijn precies op deze plaatsen verankerd. Met periodieke reeksen van dergelijke defecten, tweedimensionale "fluxon-kristallen" kunnen worden gegenereerd, die een modelsysteem zijn voor veel interessante onderzoeken. De defecten dienen als vallen voor de fluxons en door het variëren van gemakkelijk toegankelijke parameters kunnen tal van effecten worden onderzocht. "Echter, het is noodzakelijk om zeer dichte defectarrangementen te realiseren, zodat de fluxons met elkaar kunnen interageren, idealiter op afstanden van minder dan 100 nanometer, die duizend keer kleiner is dan de diameter van een haar, ", legt Bernd Aichner van de Universiteit van Wenen uit.

Bijzonder interessant voor de onderzoekers zijn complexe periodieke arrangementen, zoals het quasi-kagomé-defectpatroon dat in de huidige studie is onderzocht, die werd geïnspireerd door een traditionele Japanse mandenvlechtkunst. De bamboestrepen van het kagomépatroon worden vervangen door een keten van defecten met tussenruimten van 70 nanometer. Het bijzondere van deze kunstmatige nanostructuur is dat niet slechts één fluxon per defect kan worden verankerd, maar er worden ongeveer cirkelvormige fluxonketens gevormd, die op hun beurt een nog vrije fluxon in hun midden houden. Dergelijke fluxon-kooien zijn gebaseerd op de wederzijdse afstoting van fluxons en kunnen worden geopend of vergrendeld door het externe magnetische veld te veranderen. Ze worden daarom beschouwd als een veelbelovend concept voor de realisatie van verliesarme en snelle supergeleidende schakelingen met fluxons.

Nanostructurering van supergeleiders bij hoge temperatuur met de helium-ionmicroscoop

Dit onderzoek is mogelijk gemaakt door een nieuw apparaat aan de Universiteit van Tübingen - de helium-ionmicroscoop. Hoewel het een soortgelijk werkingsprincipe heeft als de scanning elektronenmicroscoop, de helium-ionmicroscoop biedt een voorheen ongeëvenaarde resolutie en scherptediepte vanwege de veel kleinere golflengte van de heliumionen. "Met een helium-ionmicroscoop, de supergeleidende eigenschappen kunnen worden aangepast zonder het materiaal te verwijderen of te vernietigen, waarmee we fluxon-arrays kunnen produceren in supergeleiders bij hoge temperaturen met een dichtheid die wereldwijd ongeëvenaard is, " benadrukt Dieter Koelle van de Eberhard Karls Universiteit van Tübingen. De wetenschappers zijn nu van plan om de methode voor nog kleinere structuren verder te ontwikkelen en verschillende theoretisch voorgestelde concepten voor fluxon-circuits te testen.