Supraleiter: Elektronen-Einbahnstraße für schnelle, verlustfreie Computer

Ein supraleitender Computer wäre energieeffizient und könnte hoch takten. Bislang konnte Strom allerdings beliebig fließen.

Artikel veröffentlicht am 16. Mai 2022, 15:30 Uhr, Johannes Hiltscher

Supraleiter können nicht nur über Magneten schweben - auch effiziente und schnelle Computer ließen sich damit bauen. (Bild: Wikimedia Commons/CC-BY-SA 3.0)

Ein supraleitender Chip ist so etwas wie der heilige Gral der Computertechnik. Er würde ohne Leitungsverluste arbeiten und ließe sich dadurch wesentlich höher takten als Siliziumhalbleiter. Ebenso wie der Gral erschien ein supraleitender Chip bislang jedoch als unerreichbar. Nun brachten Forscher um Mazhar Ali von der niederländischen TU Delft mit der Entwicklung einer lediglich in eine Richtung supraleitenden Struktur den Traum etwas näher an die Realität.

Das Grundproblem ist, erklärt Ali im Interview, dass ein Supraleiter Strom in jede Richtung gleich gut leitet. Transistoren hingegen, die Grundlage digitaler Computer, leiten nur in eine Richtung. Der Strom erfährt in Leitungsrichtung einen geringen Widerstand, in die Gegenrichtung (Sperrrichtung) hingegen einen sehr großen. Bei Halbleitern wird dies durch die Dotierung erreicht, so entsteht entweder ein Elektronenüberschuss oder -mangel. Durch Kombination unterschiedlich dotierter Bereiche kann Strom nur in eine Richtung fließen.

Im einfachsten Fall ergibt sich dadurch eine Diode. Zwar kann, so Ali, dieses als nicht-reziproke Leitung bezeichnete Verhalten auch bei Supraleitern erreicht werden. Allerdings waren hierzu bislang extern erzeugte Magnetfelder erforderlich, die eine Miniaturisierung quasi unmöglich machen. Das Team der TU Delft baute nun auf dem Josephson-Effekt auf, der das Tunneln von Elektronenpaaren zwischen zwei Supraleitern durch eine nicht-supraleitende Schicht beschreibt.

Neues Material ermöglicht supraleitende Diode

Ein Josephson-Kontakt, so wird die oben beschriebene Kombination genannt, ermöglicht eine elektrische Steuerung des Tunnelns zwischen den beiden Supraleitern. Das klingt nach Transistor, jedoch ist der Effekt reziprok, die Elektronenpaare tunneln also in beide Richtungen gleich. Die Diode, die Alis Team entwickelte, nutzt ein an der Johns Hopkins University entwickeltes Material: Zum Einsatz kommt eine Niob-Brom-Verbindung, Nb₃Br₈, ein sogenanntes 2D-Material.

Dieses hat in sehr dünnen Schichten (wenige Atomlagen) quantenmechanische Eigenschaften: Wird es abgekühlt, entsteht eine magnetische Ausrichtung, die bei Raumtemperatur nicht vorhanden ist. Durch den Magnetismus können Elektronen nur noch in eine Richtung tunneln. Der Josephson-Effekt bleibt erhalten, das Tunneln kann also durch eine angelegte Spannung gesteuert werden. Damit werden supraleitende Chips möglich, die klassische und erprobte Rechnerarchitektur nutzen. Sie würden sich wie normale Computer programmieren lassen, existierende Software könnte sogar weitergenutzt werden.

Ali sieht ihren Einsatz in Rechenzentren und Hochleistungsrechnern. Schließlich muss ein Supraleiter noch immer gekühlt werden, ist für daheim also ungeeignet. Aktuelles Ziel der Gruppe ist es, eine Diode zu bauen, die bei 77 Kelvin (-196° C) supraleitend ist. Das würde eine Kühlung mit Flüssigstickstoff ermöglichen. Dann wäre sie halbwegs alltagstauglich.