Photoinduzierte Supraleitung auf einem Chip

Forschende des MPSD haben gezeigt, dass die bereits nachgewiesene Fähigkeit, Supraleitung mit einem Laserstrahl zu erzeugen, auf einem Chip integriert werden kann. Dies eröffnet einen neuen Weg zu opto-elektronischen Anwendungen. Ihre in Nature Communications veröffentlichte Arbeit zeigt zudem, dass die elektrische Antwort von photoangeregtem K₃C₆₀ nicht linear ist, sondern dass der Widerstand der Probe vom angelegten Strom abhängt. Dies ist eine Schlüsseleigenschaft der Supraleitung und bestätigt nicht nur einige frühere Beobachtungen, sondern liefert auch neue Informationen und Perspektiven zur Physik von K₃C₆₀-Dünnschichten.

Die optische Manipulation von Materialien zur Erzeugung von Supraleitfähigkeit bei hohen Temperaturen ist ein wichtiger Forschungsschwerpunkt des MPSD. Bislang hat sich diese Strategie bei mehreren Quantenmaterialien als erfolgreich erwiesen, darunter Kuprate, k-(ET)2-X und K₃C₆₀. In früheren Studien optisch gesteuerter Zustände in diesen Materialien wurden eine verbesserte elektrische Kohärenz und ein verschwindender elektrischer Widerstand beobachtet.

In ihrer jüngsten Studie setzte die Cavalleri-Gruppe nichtlineare THz-Spektroskopie auf dem Chip ein, um das Feld der Pikosekunden-Transportmessungen zu erschließen (eine Pikosekunde ist ein Billionstel einer Sekunde). Sie integrierten dünne K₃C₆₀-Filme mit photoleitenden Schaltern und koplanaren Wellenleitern auf einem Chip. Mit einem sichtbaren Laserpuls zum Auslösen des Schalters schickten sie einen starken elektrischen Strompuls von nur einer Pikosekunde Dauer durch das Material. Nachdem der Stromimpuls den Festkörper mit etwa halber Lichtgeschwindigkeit durchquert hatte, erreichte er einen weiteren Schalter. Dieser diente als Detektor, um wichtige Informationen, wie die charakteristischen elektrischen Signaturen der Supraleitung, zu ermitteln.

Während die Forscher*innen die K₃C₆₀-Filme mit Licht im mittleren Infrarotbereich bestrahlten, konnten sie nichtlineare Stromänderungen in dem optisch angeregten Material beobachten. Dieses so genannte kritische Stromverhalten und der Meissner-Effekt sind die beiden wichtigsten Eigenschaften von Supraleitern. Keine der beiden wurde jedoch bisher in einem photo-induzierten Supraleiter gemessen, so dass der Nachweis des kritischen Stromverhaltens in dem angeregten Festkörper von besonderer Bedeutung ist. Außerdem entdeckte das Team, dass der optisch angeregte Zustand von K₃C₆₀ dem eines so genannten granularen Supraleiters ähnelt, der aus schwach verbundenen supraleitenden Inseln besteht.

Das MPSD setzt einzigartige Expertise und Technologien ein, um solche Messungen im Pikosekundenbereich durchzuführen. Der verwendete Chip wurde am Institut entwickelt und konstruiert. „Wir haben eine Technikplattform entwickelt, die sich perfekt für die Untersuchung nichtlinearer Transportphänomene abseits des thermischen Gleichgewichts eignet, beispielsweise die nichtlinearen und anomalen Hall-Effekte oder die Andreev-Reflexion", sagt Hauptautor Eryin Wang, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Cavalleri-Gruppe. Darüber hinaus könnte die Integration der Nichtgleichgewichts-Supraleitung in optoelektronische Plattformen zu neuen Bauelementen führen, die auf diesem Effekt basieren.

Andrea Cavalleri, Gründer und Leiter der Forschungsgruppe, fügt hinzu: „Diese Arbeit unterstreicht die wissenschaftlichen und technologischen Entwicklungen innerhalb des MPSD in Hamburg, wo ständig innovative experimentelle Methoden entwickelt werden, um neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen. Wir arbeiten seit fast einem Jahrzehnt an ultraschnellen elektrischen Transportmethoden. Nun sind wir in der Lage, viele neue Phänomene in Nicht-Gleichgewichtsmaterialien zu untersuchen und möglicherweise nachhaltige Veränderungen in der Technologie in die Wege zu leiten.“

Die Forschung, auf der diese Ergebnisse basieren, wurde in den Laboren des MPSD am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg durchgeführt.