Künstliche Defekte können Hochtemperatur-Supraleitern interessante neue Eigenschaften verleihen. In einer internationalen Kooperation von PhysikerInnen der Universität Wien, der Johannes Kepler Universität Linz, den Universitäten in Tübingen, Antwerpen, Brüssel und Ann Arbor/Michigan in USA und dem RIKEN Forschungszentrum in Japan ist es gelungen, gezielt das weltweit dichteste Gitter aus Defekten zu realisieren. Das Gitter ähnelt Mustern aus der japanischen Korbflechtkunst. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Journal "ACS Applied Nanomaterials" der renommierten "American Chemical Society" publiziert.

Als Vorbild für das auf einen dünnen, supraleitenden Film aufgebrachte Muster an Defekten diente den ForscherInnen das sogenannte Kagome-Muster. Dabei verankert jeder der in Reihen angeordneten Defekte ein magnetisches Flussquant (Fluxon). Die Bereiche zwischen den Reihen, die einander wie die Bambusbänder eines Korbes überkreuzen, bilden wiederum "Käfige" für weitere Fluxonen. Diese könnten in Zukunft als Informationsträger für neuartige Prozessoren auf Basis magnetischer Effekte dienen.

Fluxonen sind quantisierte Stromwirbel im Inneren eines Supraleiters und werden schon durch sehr geringe äußere Magnetfelder verursacht. In einem defektfreien Material bewegen sie sich sehr schnell und stören dadurch die verlustfreie Leitung des elektrischen Stroms. Sind sie jedoch an Defekten verankert, können die elektrischen Ladungsträger ihnen leicht ausweichen und das Material kann seine supraleitenden Eigenschaften voll entfalten.

Nanostrukturierung mit dem Helium-Ionen-Mikroskop

Den ForscherInnen ging es in ihrer Studie jedoch nicht darum, besonders leistungsfähige Supraleiter zu kreieren. "Wir wollten einerseits zeigen, dass die Herstellung derart kleiner Strukturen möglich ist", sagt Wolfgang Lang von der Fakultät für Physik der Universität Wien. "Und dass diese wiederum genutzt werden können, um die Fluxonen im Material zu kontrollieren."

Für diese Experimente wurden an der JKU Linz (Institut für Angewandte Physik) dünne Filmen des Hochtemperatur-Supraleiters YBa₂Cu₃O₇ hergestellt. "Die von uns hergestellten Filmen haben eine hervorragende kristalline Struktur und die Filmdicke kann beliebig variiert werden; damit sind unsere Proben sehr gut für die Ionenstrahl-Nanostrukturierung geeignet", sagt Johannes Pedarnig von der JKU.

Für die Nanostrukturierung wurde das neuartige Helium-Ionen-Mikroskop an der Universität Tübingen eingesetzt. Dieses Gerät hat zwar ein ähnliches Funktionsprinzip wie das Rasterelektronenmikroskop, besitzt aber wegen der viel kleineren Wellenlänge der Helium-Ionen eine zuvor unerreichte Auflösung und Schärfentiefe. "Mit einem Helium-Ionen-Mikroskop lassen sich die supraleitenden Eigenschaften gezielt verändern, ohne hierbei das Material abzutragen oder zu zerstören. So können wir Fluxonengitter in Hochtemperatur-Supraleitern mit einer Dichte erzeugen, die weltweit einzigartig ist", betont Dieter Koelle von der Eberhard-Karls-Universität in Tübingen.

Die WissenschafterInnen planen nun, die Methode für noch kleinere Strukturen weiter zu entwickeln und damit verschiedene theoretisch vorgeschlagene Konzepte für Fluxonen-Schaltkreise zu erproben.