Supraleiter: Widerstand ist zwecklos

Presseaussendung der TU Wien vom 28.01.2019

Über Supraleitung muss ganz neu nachgedacht werden. Experimente an der TU Wien beweisen, dass unbewegliche Ladungsträger, die als „Klebstoff“ wirken, die Supraleitung erst ermöglichen.

Jedes gewöhnliche Kabel, jeder Draht, jeder elektronische Bauteil hat einen gewissen elektrischen Widerstand. Es gibt allerdings spezielle supraleitende Materialien mit der besonderen Fähigkeit, elektrischen Strom mit einem Widerstand von exakt null zu transportieren – zumindest bei sehr niedrigen Temperaturen. Ein Material zu finden, das sich auch bei Raumtemperatur immer noch als Supraleiter verhält, wäre ein wissenschaftlicher Durchbruch von herausragender Bedeutung, sowohl in theoretischer als auch in technologischer Hinsicht. Es würde eine Reihe ganz neuer Anwendungen ermöglichen, von schwebenden Hochgeschwindigkeitszügen bis hin zu neuen bildgebenden Verfahren für die Medizin.

Die Suche nach solchen Hochtemperatur-Supraleitern ist allerdings extrem schwierig, weil viele der Quanteneffekte, die mit der Supraleitung in Zusammenhang stehen, noch nicht gut verstanden sind. Professor Neven Barišić vom Institut für Festkörperphysik an der TU Wien experimentiert mit Cupraten, einer Materialklasse, die bei Normaldruck bis zu einer Temperatur von 140 Kelvin (-133° C) supraleitend bleiben, damit sind Cuprate bis heute die Rekordhalter. Barišić und seinem Team gelang es nun, bemerkenswerte neue Resultate zu erzielen und neue Ideen vorzustellen, durch die sich die Art, wie man über komplexe Materialien und Hochtemperatur-Supraleitung denkt, völlig verändern soll.

Die Suche nach dem Heiligen Gral

„Das Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung wird seit Jahrzehnten eingehend erforscht, aber bisher hat niemand das Rätsel wirklich gelöst“, sagt Neven Barišić. „Es gibt durchaus einige Materialien, die supraleitendes Verhalten bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes zeigen, und bei manchen verstehen wir sogar, warum das so ist. Aber die wirkliche Herausforderung ist es, Supraleitung in Cupraten zu verstehen, wo sie bei viel höheren Temperaturen bestehen bleibt. Ein Material, das bei Raumtemperatur supraleitend bleibt, wäre gewissermaßen der Heilige Gral der Festkörperphysik, und dem kommen wir näher und näher.“

Barišić konnte mit seinem Team nun zeigen, dass es in Cupraten zwei fundamental unterschiedliche Ladungsträger gibt. Das subtile Wechselspiel zwischen ihnen ist entscheidend für die Supraleitung.

Manche der elektrischen Ladungsträger im Material sind lokalisiert, jeder von ihnen sitzt an ganz bestimmten Atomen und kann sich nur wegbewegen, wenn das Material aufgeheizt wird. Andere Ladungsträger hingegen sind mobil und können von einem Atom zum anderen springen. Diese mobilen Ladungsträger sind es, die supraleitend werden, aber die Supraleitung lässt sich nur erklären, wenn man auch die immobilen Ladungsträger berücksichtigt.

„Es gibt eine Wechselwirkung zwischen den beweglichen und den unbeweglichen Ladungsträgern, durch die sich die Energie des Systems verändert“, sagt Barišić. „Die unbeweglichen Ladungsträger wirken als Klebstoff und binden Paare von mobilen Ladungsträgern aneinander, die sogenannte Cooper-Paare bilden. Die Bildung von Ladungsträger-Paaren ist die Grundidee hinter klassischen Supraleitern. Erst wenn die Ladungsträger gepaart werden, können sie supraleitend werden, und das Material transportiert die Ladung ohne jede Streuung und ohne jeden Widerstand.“

Das bedeutet, dass man die Zahl von mobilen und immobilen Ladungsträgern sorgfältig ausbalancieren muss, um Supraleitung zu erhalten. Gibt es zu wenige lokalisierte Ladungsträger, steht zu wenig „Klebstoff“ zum Koppeln der beweglichen Ladungsträger zur Verfügung. Gibt es hingegen zu wenige mobile Ladungsträger, dann gibt es nichts, was der Klebstoff koppeln könnte. In beiden Fällen wird die Supraleitung geschwächt oder bricht überhaupt zusammen. Dazwischen gibt es einen optimalen Bereich, in dem die Supraleitung bis hin zu bemerkenswert hohen Temperaturen erhalten bleibt. Die große Herausforderung war es, herauszufinden, wie sich diese Balance zwischen mobilen und immobilen Ladungsträgern kontinuierlich ändert, abhängig von der Temperatur oder der Dotierung des Materials mit anderen Atomen.

„Wir haben viele unterschiedliche Experimente mit Cupraten durchgeführt und riesengroße Datenmengen gesammelt. Nun können wir schließlich ein umfassendes phänomenologisches Bild der Supraleitung in Cupraten präsentieren“, sagt Neven Barišić. Fast gleichzeitig veröffentlichte er seine Ergebnisse nun in mehreren Fachjournalen, darunter „Science Advances“. Darin konnte nachgewiesen werden, dass Supraleitung graduell entstehen kann – ein wichtiger Schritt in Richtung des Ziels, Cuprate zu verstehen und noch bessere Supraleiter zu entwickeln.

Wenn es möglich wird, Materialien zu erzeugen, die auch bei Raumtemperatur noch supraleitend bleiben, hätte das weitreichende Konsequenzen für unsere Technologie. Man könnte elektronische Geräte bauen, die kaum noch elektrische Energie verbrauchen würden. Schwebende Züge könnten konstruiert werden, mit Hilfe von extrem starken supraleitenden Magneten, sodass billiger, ultraschneller Transport möglich werden würde. „Noch stehen wir nicht vor dem Ziel“, sagt Neven Barišić. „Aber ein tiefes Verständnis von Hochtemperatur-Supraleitung würde den Weg dorthin ebnen. Und ich glaube, dass wir nun gleich mehrere wichtige Schritte in diese Richtung genommen haben.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Pelc et al., Science Advances 25, Vol. 5, no. 1 (2019)

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Unkaputtbare Betonschutzwand soll Leben retten

Presseaussendung der TU Wien vom 28.11.2018

An der TU Wien wurde eine spezielle Betonmischungsformel entwickelt, die selbst bei einem schweren Aufprall die Bildung gefährlicher Bruchstücke verhindert.

Massive Betonschutzwände werden oft in der Mitte von Autobahnen errichtet, um ein Durchbrechen von Fahrzeugen auf die Gegenfahrbahn zu verhindern. Das gelingt mit modernen Betonschutzwänden bereits sehr gut, aber beim Aufprall kann nicht ausgeschlossen werden, dass Betonteile absplittern und auf die Gegenfahrbahn geraten. An der TU Wien wurde daher eine besonders zähe Betonmischung entwickelt, die ein Absplittern von Bruchstücken verhindert. Bei spektakulären Experimenten mit Sattelschleppern und Bussen wurde die Wirksamkeit der neuartigen Betonschutzwände nun demonstriert.

Zäh, nicht brüchig

„Unser Ziel war es, eine neue Betonsorte zu entwickeln, die hohen dynamischen Belastungen standhält, und nicht spröd und brüchig, sondern zäh und nachgiebig ist“, erklärt Ildiko Merta, Bauingenieurin am Institut für Hochbau und Technologie der TU Wien. Seit Jahren beschäftigt sie sich mit der Entwicklung und der experimentellen Überprüfung spezieller und nachhaltiger Betonsorten.

„Zunächst haben wir verschiedene Materialmöglichkeiten theoretisch untersucht, einige dieser Ideen haben wir dann umgesetzt und an der TU Wien in Belastungsproben die Eigenschaften der neuartige Betone getestet“, sagt Ildiko Merta. In Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner DELTABLOC, einem führenden Entwickler von Fahrzeug-Rückhaltesystemen, wurde ein innovativer Pendelversuch entwickelt, um die dynamische Belastung bei einem Fahrzeug-Anprall im Labor realitätsnah untersuchen zu können. Auf genau definierte Weise ließ man eine 150 kg schwere Last auf die Betonprüfkörper fallen und analysierte ihr Bruchverhalten.

Aus den drei vielversprechendsten Betonmischungen wurden dann echte Betonleitwände hergestellt und in Allhaming in Oberösterreich getestet. Dabei konnte eindrucksvoll gezeigt werden, dass selbst ein 38-Tonnen-Sattelschlepper mit 60 km/h oder ein 13-Tonnen-Bus mit einer Anfahrtsgeschwindigkeit von 70 km/h dem Fahrzeug-Rückhaltesystem aus Beton nichts anhaben kann.

Die Betonwand, die Leben rettet

Das Rückhaltesystem mit der neuen Beton-Formel wurde von DELTABLOC bereits in Spanien und Deutschland verbaut, weitere Projekte sind in Arbeit – damit ist DELTABLOC das erste und einzige Unternehmen weltweit, das Betonleitwände auf diesem Sicherheitsniveau bieten kann.

„Vor Projektbeginn hielten wir es für fast unmöglich, eine Schutzwand herzustellen, bei der sich trotz der Wucht des Anpralls eines 38-Tonnen-Sattelschleppers kein einziges Bruchstück löst. In nur 18 Monaten Entwicklungszeit ist uns dieses Meisterstück gelungen! Diese bahnbrechende Technologie wird weltweit Leben retten!“, freut sich Thomas Edl, Absolvent und Doktor im Bauingenieurwesen an der TU Wien und nun Geschäftsführer von DELTABLOC International.

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des COMET K1-Programms „Kompetenzzentrum für elektrochemische Oberflächentechnologie“ durchgeführt, das durch das Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT), durch das Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW) und durch die Länder Oberösterreich und Niederösterreich gefördert wird. (Florian Aigner)

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Inneres Leuchten soll Schäden bei industriellen Kleb-Verbindungen anzeigen

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 06.09.2018

Mit einer Farbmarkierung wollen Ingenieurwissenschaftler der Universität Kassel Schäden bei geklebten Verbindungen frühzeitig sichtbar machen. Das Verfahren setzt auf Mikrokapseln, die bei beginnenden Rissen in Klebstoffen eine fluoreszierende Flüssigkeit absondern.

Das Kleben spielt in Industriezweigen wie der Autoindustrie, dem Maschinenbau oder dem Bauwesen eine wachsende Rolle. Prüfverfahren für das Aufspüren von betriebs- oder alterungsbedingten Rissen in derartigen Verbindungen sind jedoch sehr aufwendig – oder die Bauteile und Klebeverbindungen werden bei der Prüfung gar zerstört. Ein Verfahren, das Ingenieurwissenschaftler der Universität Kassel verfeinert haben, könnte hier zukünftig Abhilfe schaffen. Dabei werden in strukturelle Industrie-Klebstoffe winzige, nur 20 bis 100 Mikrometer große Kapseln eingebracht, die einen Farbstoff enthalten. Treten im gehärteten Klebstoff Mikrorisse auf, zerstören diese auch die Kapseln. Der Farbstoff tritt aus und beginnt innerhalb des Klebstoffes zu fluoreszieren. Da der Klebstoff durchsichtig ist, ist dieses innere Leuchten (bei transparenten Fügepartnern) von außen unter UV-Licht sichtbar.

Für das Projekt experimentierte Dipl.-Ing. Martin Kahlmeyer (Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren, Leitung Prof. Dr.-Ing. Stefan Böhm) mit verschiedenen Klebstoffen ebenso wie mit verschiedenen Kugelgrößen und Farbstoffen. M.Sc. Johannes Scheel (Fachgebiet Technische Mechanik/Kontinuumsmechanik, Leitung Prof. Dr.-Ing. Andreas Ricoeur) unterstützte die Experimente mit numerischen Simulationen und bruchmechanischen Untersuchungen.

Auch den Herstellungsprozess der Farbkugeln optimierten die Wissenschaftler. Entscheidend war dabei, die so genannten Mikrokapseln durch Grenzflächen-Polymerisation möglichst dicht herzustellen und sie im Klebstoff so zu platzieren, dass sie bereits bei feinsten Rissen im Klebstoff ebenfalls reißen. Dabei baute die Forschungsgruppe auch auf Vorarbeiten anderer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf.

„Im Labor konnten wir bereits für einen Fluoreszenznachweis geeignete Kapseln herstellen und in Klebstoffen verteilen“, erklärt Kahlmeyer. Das Verfahren ist von einem Einsatz in der industriellen Fertigung noch ein Stück entfernt. Doch es eröffnet Perspektiven, Prüfverfahren zu verbessern und die Sicherheit von optisch transparenten Verbindungen wie geklebten Glasstrukturen zu erhöhen.

Das Projekt lief über zwei Jahre und wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft. Anschlussprojekte sollen das Verfahren zur Praxistauglichkeit weiterentwickeln. „Unsere Zielvorstellung ist es, einmal Kapseln zu entwickeln, die Mikro-Risse nicht nur aufzeigen, sondern mit ihrer Flüssigkeit sofort ausheilen können“, blickt Scheel voraus.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Neuer Mechanismus der Elektronenspinrelaxation nachgewiesen

Medienmitteilung der Universität Basel vom 27.08.2018

Physiker der Universität Basel möchten den Spin von einzelnen Elektronen als Informationseinheit für potenzielle Quantencomputer nutzen. Nun konnten sie erstmals einen vor 15 Jahren vorhergesagten Mechanismus beim Kippen des Elektronenspins experimentell nachweisen. Gleichzeitig gelang es den Wissenschaftlern, die Richtung des Elektronenspins für fast eine Minute konstant zu halten – ein neuer Weltrekord. «Nature Communications» hat die Ergebnisse einer Zusammenarbeit mit Forschenden aus Japan, der Slowakei und den USA veröffentlicht.

Der Eigendrehimpuls von Elektronen (Spin) lässt sich in einem zukünftigen Quantencomputer zur Speicherung von Informationen nutzen. Dieses Konzept hat Professor Daniel Loss vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel zusammen mit Professor David DiVincenzo (RWTH Aachen) bereits vor 20 Jahren entwickelt und vorgeschlagen, den Elektronenspin in Quantenpunkten als kleinste Informationseinheit (Qubit) zu verwenden.

Theoretisch geeignet, experimentell herausfordernd

Der Elektronenspin erfüllt die dafür notwendigen Anforderungen: Wird ein Magnetfeld angelegt, kann der Spin in den beiden Zuständen «Spin-up» und «Spin-down» auftreten, die sich schnell hin und her schalten lassen.

Zudem unterliegt der Elektronenspin den besonderen Gesetzen der Quantenphysik. Die beiden Zustände können nämlich für einen bestimmten Zeitraum, der sogenannten Kohärenzzeit, gleichzeitig existieren. Spins lassen sich ausserdem miteinander koppeln. Wird der Zustand des einen Spins manipuliert, ändert sich sofort auch der Zustand des verschränkten Spins. Ein spin-basierter Quantencomputer könnte damit Millionen von Rechenoperationen gleichzeitig ausführen und Aufgaben erledigen, die für heutige Supercomputer undenkbar sind.

Schwierig ist jedoch die experimentelle Umsetzung der Theorie, unter anderem auch, weil die untersuchten Elektronen sowie ihr Spin winzig klein sind. Messungen und Manipulationen des Spins sind daher nur mit grossem technischen Aufwand möglich.

Neuer Mechanismus des Kippvorgangs

Eine Grundvoraussetzung, um die Richtung eines Spins zu messen, ist dessen Richtungsstabilität über einen möglichst langen Zeitraum. Unbeeinflusst tendiert der Spin dazu, relativ schnell auf den energetisch tieferen Zustand Spin-up zu kippen.

Diesen Kippvorgang, Relaxation genannt, untersucht die Gruppe von Professor Dominik Zumbühl vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institut der Universität Basel bereits seit einigen Jahren, da die so wichtige Kohärenzzeit immer auch durch die Relaxationszeit limitiert ist.

Erstmals konnten die Physiker nun einen neuen Mechanismus der Spinrelaxation experimentell nachweisen, der vor etwa 15 Jahren vorausgesagt worden war. Beim Kippen des Elektronenspins kippt dabei gleichzeitig ein Kernspin in die entgegengesetzte Richtung. Die überschüssige Energie wird dabei in Form einer Gitterschwingung abgegeben.

Technische Verbesserungen bringen den Fortschritt

Dank der technischen Neuerungen, welche diesen experimentellen Nachweis möglich machte, halten die Basler Wissenschaftler auch den Weltrekord in der Elektronenspinstabilität. Im Mittel konnten sie den Elektronenspin für 57 Sekunden auf dem energetisch hohen Spin-down Zustand halten.

Sie erreichten diesen Rekord, indem sie ihre Experimente mit hohem technischem Aufwand bei Temperaturen ganz knapp über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 °C durchführten und einen piezoelektrischen Rotator verwendeten, mit dem sie die Richtung des Magnetfeldes genau steuern konnten.

Für die Experimente entwarfen die Basler Forscher einen etwa 2 mal 2 Millimeter grossen Chip aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid, auf dem sie in einem Quantenpunkt mithilfe von nanofabrizierten Metallelektroden ein einzelnes Elektron einfingen. Gekühlt auf extrem tiefe 60 Millikelvin konnten die Wissenschaftler den Zeitraum von Tausenden der Kippvorgänge messen und erhielten für eine optimale Konfiguration mit dem kleinsten Magnetfeld den Durchschnittswert von 57 Sekunden.

«Mit dem experimentellen Nachweis des neuen Relaxationsmechanismus haben wir unser Verständnis über die Physik der Elektronenspins in Nanostrukturen, die als Qubits eingesetzt werden sollen, wesentlich erweitert», erläutert Dominik Zumbühl. «Diese Fortschritte, den Spin besser zu kontrollieren und zu messen, sind wichtige Zwischenschritte auf dem Weg zu einem Quantencomputer», ergänzt er.

Originalbeitrag:
Leon C. Camenzind, Liuqi Yu, Peter Stano, Jeramy D. Zimmerman, Arthur C. Gossard, Daniel Loss, and Dominik M. Zumbühl
Hyperfine-phonon spin relaxation in a single-electron GaAs quantum dot
Nature Communications (2018), doi: 10.1038/s41467-018-05879-x

Externer Link: www.unibas.ch

Der perfekte Terahertz-Strahl – mit dem 3D-Drucker

Presseaussendung der TU Wien vom 10.07.2018

An der TU Wien ist es gelungen, Terahertz-Strahlen nach Belieben zu formen. Dazu braucht man nur eine simple Kunststoff-Blende aus dem 3D-Drucker.

Terahertz-Strahlung ist sehr vielseitig einsetzbar, sie wird heute für Sicherheitskontrollen am Flughafen genauso verwendet wie für Materialanalysen im Labor. Die Wellenlänge dieser Strahlung liegt im Millimeterbereich, sie ist also deutlich größer als die Wellenlänge von sichtbarem Licht. Daher braucht man auch spezielle Methoden, um die Strahlen zu manipulieren und in die richtige Form zu bringen. Ein spektakulärer Erfolg beim Formen von Terahertz-Strahlen gelang nun an der TU Wien: Mit Hilfe einer genau berechneten und am 3D-Drucker hergestellten Plastik-Blende kann man Terahertz-Strahlen praktisch beliebig formen.

Wie Linsen – nur besser

„Gewöhnliches Plastik ist für Terahertz-Strahlen durchsichtig, ähnlich wie Glas für sichtbares Licht“, erklärt Prof. Andrei Pimenov vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Allerdings werden die Terahertz-Wellen, wenn sie sich durch Kunststoff bewegen, ein bisschen abgebremst. Das bedeutet, dass die Wellenberge und Wellentäler des Strahls ein wenig verschoben werden – man nennt das eine Phasenverschiebung.“

Diese Phasenverschiebung kann man nutzen, um einen Strahl zu formen. Genau das passiert – in sehr einfacher Form – bei einer optischen Linse aus Glas: Wenn die Linse in der Mitte dicker ist als am Rand, verbringt ein Lichtstrahl in der Mitte mehr Zeit im Glas als ein anderer Strahl, der parallel dazu den Randbereich der Linse trifft. Die Lichtwelle in der Mitte wird daher stärker phasenverschoben als die Lichtwelle am Rand. Genau das führt dazu, dass sich die Form des Strahls ändert – ein breiter Lichtstrahl lässt sich auf einen einzelnen Punkt fokussieren.

Doch damit sind die Möglichkeiten noch lange nicht ausgeschöpft. „Wir wollten nicht bloß einen breiten Strahl auf einen Punkt abbilden. Unser Ziel war, einen beliebigen Strahl in eine beliebige Form bringen zu können“, sagt Jan Gospodaric, Dissertant im Team von Andrei Pimenov.

Die Blende aus dem 3D-Drucker

Das gelingt, indem man eine genau angepasste Kunststoffblende in den Strahl einbringt. Die Blende hat einen Durchmesser von wenigen Zentimetern, ihre Dicke variiert von 0 bis 4 mm. Die Dicke der Blende muss Punkt für Punkt so angepasst werden, dass unterschiedliche Bereiche des Strahls genau richtig abgelenkt werden und am Ende das gewünschte Bild ergeben. Eine spezielle Berechnungsmethode wurde entwickelt um das richtige Blendenmuster zu berechnen. Daraus wird dann in einem gewöhnlichen 3D-Drucker die passende Blende hergestellt.

„Das Verfahren ist erstaunlich einfach“, sagt Andrei Pimenov. „Man braucht nicht einmal einen 3D-Drucker mit besonders hoher Auflösung. Es genügt, wenn die Präzision der Struktur deutlich besser ist als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung – das ist bei Terahertzstrahlung mit 2 mm Wellenlänge kein Problem.“

Um die Möglichkeiten der Methode zu demonstrieren erstellte das Team unterschiedliche Blenden – unter anderem eine, die einen breiten Strahl in die Form des Logos der TU Wien bringt. „Das zeigt, dass der Technik kaum geometrische Grenzen gesetzt sind“, sagt Andrei Pimenov. „Unsere Methode ist relativ leicht anwendbar. Wir glauben daher, dass sich die Technik rasch in vielen Bereichen einsetzen lässt und die derzeit aufstrebende Terahertz-Technik ein Stück präziser und vielseitiger macht.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
3D-printed phase waveplates for THz beam shaping, J. Gospodaric, A. Kuzmenko, Anna Pimenov, C. Huber, D. Suess, S. Rotter, and A. Pimenov; Appl. Phys. Lett. 112, 221104 (2018); doi: 10.1063/1.5027179

Externer Link: www.tuwien.ac.at