Ein winziger Halbleiterkanal lässt supraleitenden Strom bevorzugt in eine Richtung fließen
Forschende der Universität Tokio und der New York University haben ein Halbleiterbauelement entwickelt, das Strom ohne elektrischen Widerstand in eine Richtung leichter leitet als in die andere. Das Bauelement erreichte eine maximale Effizienz als supraleitende Diode von 20 Prozent. Es verbindet elektrische Steuerung mit magnetischen Effekten in einem nur 100 Nanometer langen Kanal.
Inhalt
- Ein winziger Halbleiterkanal lässt supraleitenden Strom bevorzugt in eine Richtung fließen
- Was die Forschenden tatsächlich entwickelt haben
- Wie benachbarte Schichten ihre Eigenschaften weitergeben
- Warum saubere Grenzflächen wichtig waren
- Die Spannung bestimmt den widerstandslos fließenden Strom
- Was die Diodeneffizienz von 20 Prozent bedeutet
- Die magnetische Vorgeschichte verändert das Verhalten
- Wo der Strom fließt, wird noch untersucht
- Was sich für künftige supraleitende Schaltungen ändert
- Wichtige Punkte
Die am 5. November 2026 in Communications Materials veröffentlichten Ergebnisse gehen auf Experimente bei 0,03 Kelvin zurück, nahe dem absoluten Nullpunkt. Ein Bauelement ohne Gate-Elektrode leitete einen supraleitenden Strom von bis zu 3,00 Mikroampere. Bei Bauelementen mit Gate verringerte eine angelegte negative Spannung den maximalen Strom, der ohne Widerstand fließen konnte.
Zum Team der Universität Tokio gehörten der Doktorand Hirotaka Hara, der außerordentliche Professor Le Duc Anh und der Professor Masaaki Tanaka. Sie arbeiteten mit Forschenden der NYU zusammen, darunter dem Doktoranden Lukas Baker und dem Professor Javad Shabani. Ihre Struktur kombiniert Aluminium, Indiumarsenid und eisenhaltiges Galliumantimonid und bringt Supraleitung und Magnetismus in denselben Halbleiter-Strompfad.
Das unmittelbare Ergebnis ist ein Baustein aus dem Labor zur Steuerung supraleitender Ströme. In der Mitteilung vom 5. November nennt die Universität Tokio als mögliche Anwendungen energieeffizientere Elektronik und künftige Quantenschaltungen. Derzeit werden die Funktionsprinzipien untersucht und die Steuerungsmöglichkeiten verbessert.
Was die Forschenden tatsächlich entwickelt haben
Das Bauelement ist ein lateraler Josephson-Kontakt mit einem Halbleiterkanal. Ein Josephson-Kontakt verbindet zwei supraleitende Elektroden über ein kurzes Zwischenmaterial. Quanteneffekte ermöglichen es dem Strom, dieses Material ohne begleitende Spannung zu durchqueren, selbst wenn das Material für sich genommen nicht supraleitend würde.
Hier liegen zwei Aluminiumelektroden auf einer Halbleiterstruktur; dazwischen befindet sich ein freiliegender Indiumarsenidkanal. Der Kanal ist etwa 100 Nanometer lang und 5 Mikrometer breit. Er ist damit ungefähr 50-mal so breit wie lang.
Das Indiumarsenid bildet den Hauptpfad für den elektrischen Strom. Darunter liegt eisenhaltiges Galliumantimonid, geschrieben als (Ga,Fe)Sb, das einen magnetischen Einfluss ausübt. Die Aluminiumelektroden sorgen für den supraleitenden Einfluss. Mit einer über dem Kanal liegenden Gate-Elektrode können die Forschenden dessen elektrische Eigenschaften durch eine Spannung verändern.
Die Bezeichnung als Transistor bezieht sich auf diese Gate-Steuerung. Genauer beschreibt der Artikel in Communications Materials laterale Josephson-Kontakte aus einer Al/InAs/(Ga,Fe)Sb-Struktur. Das Bauelement bringt die aus Halbleitertransistoren bekannte Spannungssteuerung in einen supraleitenden Kontakt ein.
Wie benachbarte Schichten ihre Eigenschaften weitergeben
Aluminium wird bei ausreichend niedrigen Temperaturen supraleitend. In diesem Zustand bilden Elektronen Paare, die Strom ohne elektrischen Widerstand leiten können. Magnetismus beruht dagegen auf der Ausrichtung der winzigen magnetischen Eigenschaften von Elektronen, den sogenannten Spins. Gewöhnliche Supraleitung und Ferromagnetismus wirken einander meist entgegen, weshalb ihre Kombination schwierig ist.
Die Forschenden nutzten Proximity-Effekte, um beide Einflüsse auf das Indiumarsenid zu übertragen. Ein Proximity-Effekt tritt auf, wenn der Kontakt mit einem Material das Verhalten der Elektronen in einem benachbarten Material verändert. Aluminium bewirkt supraleitendes Verhalten im Kanal, während der darunterliegende magnetische Halbleiter dieselben Elektronen beeinflussen kann.
Die magnetische Schicht enthielt 14,6 Prozent Eisen und hatte eine geschätzte Curie-Temperatur von etwa 25 Kelvin. Oberhalb der Curie-Temperatur verliert ein Material seine ferromagnetische Ordnung. Bei den für die Supraleitungsmessungen verwendeten deutlich niedrigeren Temperaturen wird die (Ga,Fe)Sb-Schicht elektrisch isolierend, sodass der Strom hauptsächlich durch das Indiumarsenid fließt.
In dieser Anordnung haben die Schichten unterschiedliche Aufgaben: Das Indiumarsenid leitet den Strom, das Aluminium ermöglicht den supraleitenden Transport und der eisenhaltige Halbleiter übt einen magnetischen Einfluss aus. Ihre gemeinsamen Grenzflächen sind entscheidend dafür, dass diese Funktionen zusammenspielen.
Warum saubere Grenzflächen wichtig waren
Das Team stellte die Struktur mithilfe der Molekularstrahlepitaxie her, einem Verfahren, bei dem sorgfältig kontrollierte Schichten im Vakuum aufgetragen werden. Alle Schichten wurden ohne Luftkontakt gefertigt, wodurch Verunreinigungen an den Grenzflächen zwischen den Materialien verringert wurden.
Der Halbleiterstapel umfasste eine 15 Nanometer dicke Indiumarsenidschicht über einer 20 Nanometer dicken Magnetschicht. Eine 5 Nanometer dünne Kappe aus Indiumgalliumarsenid trug zur Bildung der Grenzfläche mit dem Aluminium bei. Der Aluminiumfilm war 26 Nanometer dick.
Die Halbleiterschichten wurden bei 250 Grad Celsius gewachsen, um die Entmischung von Eisen im magnetischen Material zu begrenzen. Das Aluminium wurde anschließend bei einer Temperatur unter minus 40 Grad Celsius aufgebracht. So konnte das Team die verschiedenen Materialien jeweils unter geeigneten Bedingungen herstellen.
Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten eine saubere, atomar scharfe Grenzfläche zwischen dem Aluminium und der Halbleiterkappe. Der Artikel dokumentiert auch lokale Unordnung oder Defekte in dieser Kappe. Elektrische Messungen zeigten dennoch, dass die Grenzfläche den supraleitenden Transport wirksam in den Halbleiter übertrug.
Die Spannung bestimmt den widerstandslos fließenden Strom
In den Experimenten wurde gemessen, wie viel Strom der Kontakt leiten konnte, bevor elektrischer Widerstand auftrat. Diese Obergrenze wird als kritischer Strom bezeichnet. Unterhalb dieser Grenze kann ein supraleitender Kontakt Strom leiten, ohne durch elektrischen Widerstand Wärme zu erzeugen; oberhalb davon entsteht eine Spannung.
Bei 30 Millikelvin, entsprechend 0,03 Kelvin, erreichte ein Kontakt ohne Gate einen kritischen Strom von 3,00 Mikroampere. Anschließend testeten die Forschenden Kontakte mit Gate-Elektrode. Eine zunehmend negativere Gate-Spannung entzog dem Indiumarsenidkanal Elektronen und senkte dessen kritischen Strom.
Das Gate stellte somit ein, wie viel supraleitenden Strom der Kanal tragen konnte. Der Artikel berichtet außerdem, dass sich der kritische Strom bei positiven Gate-Spannungen auf einem Niveau stabilisierte. Der Leckstrom durch das Gate blieb über den gemessenen Spannungsbereich hinweg unter etwa 10 Pikoampere.
Weitere Hinweise auf die Kopplung zwischen Aluminium und Halbleiter fanden die Forschenden bei Mehrfach-Andreev-Reflexionen. Dabei kommt es an einer supraleitenden Grenzfläche zu wiederholten Umwandlungen zwischen Elektronen- und Lochanregungen. Ihre Signaturen traten in den elektrischen Messungen bis zur sechsten Ordnung auf und halfen den Forschenden einzuschätzen, wie leicht supraleitender Transport die Grenzflächen überquerte.
Aus diesen Messungen ergab sich eine supraleitende Energielücke von 171 Mikroelektronenvolt. Diese Energielücke ist eine Energieskala, die mit den Elektronenpaaren zusammenhängt, welche die Supraleitung aufrechterhalten. Zusammen zeigen die Reflexionsmessungen und die Reaktion auf die Gate-Spannung, wie der Halbleiter unter dem Einfluss seiner supraleitenden Nachbarn Strom leitet.
Was die Diodeneffizienz von 20 Prozent bedeutet
Der Diodeneffekt trat auf, wenn die Forschenden ein Magnetfeld senkrecht zum Kontakt anlegten. Daraufhin hing der kritische Strom von der Fließrichtung ab. In einer Richtung konnte der Kontakt einen höheren Strom ohne Widerstand tragen als in der entgegengesetzten Richtung.
Bei einem Strom zwischen diesen beiden Grenzwerten blieb der Kontakt in einer Richtung supraleitend und entwickelte in der anderen einen Widerstand. Unterhalb beider Grenzwerte war supraleitender Transport weiterhin in beide Richtungen möglich. Der Richtungseffekt tritt also in einem bestimmten Strombereich auf.
Die Forschenden berechneten die Diodeneffizienz, indem sie den kleineren Betrag des kritischen Stroms vom größeren abzogen und das Ergebnis durch deren Summe teilten. Der Höchstwert betrug 20 Prozent und wurde nahe einem Minimum im magnetischen Interferenzmuster des Kontakts erreicht.
Anhand dieser Definition lässt sich das Ergebnis leichter veranschaulichen. Eine Effizienz von 20 Prozent entspricht einem größeren kritischen Strom, der 1,5-mal so hoch ist wie der kleinere. Zur Illustration ergäben Grenzwerte von 1,5 und 1,0 in derselben Stromeinheit eine Differenz von 0,5 geteilt durch eine Summe von 2,5, also 20 Prozent. Diese Beispielwerte veranschaulichen das Verhältnis; der gemessene Höchstwert beträgt laut Bericht 20 Prozent.
Die Effizienz gibt die Asymmetrie zwischen den Stromrichtungen an. Der Höchstwert trat nahe einem Minimum des Interferenzmusters auf, wo das angelegte Magnetfeld den supraleitenden Transport verringerte. Der größte Richtungsunterschied und die höchste Stromtragfähigkeit traten somit unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen auf.
Die magnetische Vorgeschichte verändert das Verhalten
Der Kontakt reagierte auch unterschiedlich, je nachdem, ob das äußere Magnetfeld erhöht oder verringert wurde. Das Feld, bei dem der supraleitende Strom sein Maximum erreichte, verschob sich abhängig von der Richtung, in der das Feld durchlaufen wurde. Die Forschenden beobachteten dieses Verhalten wiederholt bei mehreren Bauelementen, sowohl mit als auch ohne Gate.
Diese Abhängigkeit von vorherigen Bedingungen wird Hysterese genannt. Magnetische Materialien zeigen sie häufig, weil ihre interne magnetische Ausrichtung eine gewisse Erinnerung an ein zuvor angelegtes Feld behält. In diesen Kontakten stimmen die wiederholten Verschiebungen mit einem magnetischen Beitrag der benachbarten (Ga,Fe)Sb-Schicht zum supraleitenden Transport überein.
Der Strom veränderte sich mit dem Magnetfeld in einer Reihe von Maxima und Minima, die als Fraunhofer-Interferenzmuster bekannt sind. Solche Muster entstehen, weil sich supraleitender Strom wie eine Quantenwelle verhält: Beiträge aus verschiedenen Bereichen eines Kontakts können einander verstärken oder abschwächen, wenn sich das Magnetfeld ändert.
Die gemessenen Muster zeigten ungleichmäßige Maxima, abrupte Sprünge des magnetischen Flusses und Unterschiede zwischen entgegengesetzten Stromrichtungen. In der Nähe eines Maximums betrug die Oszillationsperiode 0,14 Millitesla, gegenüber einer geometrischen Schätzung von 1,13 Millitesla. Aus diesem Unterschied leitet der Artikel einen effektiven Magnetfluss-Fokussierungsfaktor von 8,2 ab.
Als mögliche Ursachen für diese Konzentration des magnetischen Flusses nennen die Autoren unter anderem die Reaktion der Aluminiumelektroden, Magnetfelder der darunterliegenden Schicht sowie ungleichmäßige magnetische Felder oder Stromverteilungen. Das Gesamtmuster spricht dafür, das Bauelement als gekoppeltes magnetisches und supraleitendes System zu untersuchen.
Wo der Strom fließt, wird noch untersucht
Die Forschenden untersuchten auch, ob sich der Strom gleichmäßig über den Kanal verteilt. Sie analysierten mathematisch einen Bereich des Interferenzmusters ohne abrupte Flusssprünge und fanden eine Tendenz, dass sich der supraleitende Strom an den physikalischen Rändern konzentriert.
Mikroskopaufnahmen zeigten keine sichtbare Verkürzung des Kontakts in der Nähe dieser Ränder. Die Autoren erörtern den Transport entlang der Kanalränder als einen möglichen Beitrag zum ungewöhnlichen magnetischen Verhalten und zum Richtungseffekt.
Das genaue Zusammenspiel der Mechanismen ist noch ungeklärt. Der Artikel behandelt den magnetischen Einfluss der unteren Schicht, Wechselwirkungen zwischen Elektronenbewegung und Spin sowie einen möglichen Transport in Randnähe. Auch magnetische Domänen, eingeschlossener Fluss und bei der Fertigung entstandene Abweichungen könnten Teile des Interferenzmusters beeinflussen.
Für die Entwicklung künftiger Bauelemente ist es ganz praktisch wichtig, dieses Zusammenspiel zu verstehen. Ingenieure müssten wissen, welche Materialeigenschaften und geometrischen Merkmale zuverlässig die bevorzugte Stromrichtung, den nutzbaren Strombereich und die Reaktion auf die Gate-Spannung bestimmen.
Was sich für künftige supraleitende Schaltungen ändert
Josephson-Kontakte sind zentrale Bauteile supraleitender Quantenschaltungen. Wird eine einfache Barriere durch einen Halbleiter ersetzt, lässt sich der Kontakt elektrisch einstellen. Ein benachbarter magnetischer Halbleiter bietet eine weitere Möglichkeit, sein Verhalten zu beeinflussen.
Die Arbeit aus Tokio und von der NYU vereint diese Eigenschaften in einer Struktur: Die Gate-Steuerung verändert den kritischen Strom, während magnetische Effekte die Stromreaktion und die bevorzugte Fließrichtung beeinflussen. Diese Kombination bietet eine Materialplattform, um Schaltungselemente mit stärker anpassbarem Verhalten zu untersuchen.
Als längerfristige Ziele nennt die Universität Tokio einen geringeren Energieverbrauch elektronischer Geräte und fehlerresistentere Quantencomputer. Die nachgewiesenen Messungen betreffen einzelne Kontakte, die bei extremer Kälte betrieben werden. Die Kühlung bleibt neben dem Vorteil des widerstandslosen Stromflusses eine praktische Voraussetzung.
Die Forschenden wollen die magnetische Schicht verbessern und genauer untersuchen, wie Spannung und Magnetismus auf den supraleitenden Strom wirken. Ihre nächste wissenschaftliche Aufgabe besteht darin, die beobachteten Effekte in eine besser vorhersagbare Steuerung zu überführen, um die Entwicklung und Fertigung vielfältigerer Quantenschaltungen zu unterstützen. Einen Zeitplan für ein praxistaugliches Computergerät nannten sie nicht.
Wichtige Punkte
- Die Universität Tokio und die NYU entwickelten laterale Josephson-Kontakte, die Aluminium, Indiumarsenid und einen eisenhaltigen magnetischen Halbleiter kombinieren.
- Der Kanal war etwa 100 Nanometer lang und 5 Mikrometer breit. Die Experimente fanden bei 0,03 Kelvin statt.
- Ein Kontakt ohne Gate leitete bis zu 3,00 Mikroampere ohne Widerstand; bei Bauelementen mit Gate senkte eine negative Gate-Spannung den kritischen Strom.
- Bei einem senkrecht angelegten Magnetfeld erreichte die maximale Effizienz als supraleitende Diode nahe einem Interferenzminimum 20 Prozent.
- Die bei mehreren Bauelementen wiederholt beobachtete Hysterese stimmte mit einem magnetischen Einfluss auf den supraleitenden Transport überein.
- Die Ergebnisse wurden am 5. November 2026 veröffentlicht. Weitere Arbeiten werden die Mechanismen untersuchen und die Steuerung für mögliche künftige Quantenschaltungen verbessern.
