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Josephson-Effekt: Supraleitende Diode eröffnet Möglichkeiten für neue Computer

Eine Diode, deren Eigenschaften sich einstellen lassen – das ist interessant für Quantencomputer und neuromorphe Computer.



Zwar ist der Name gleich, die supraleitende Diode kann aber deutlich mehr als das gleichnamige Halbleiterbauteil. Ein von Forschern der Universitäten von Michigan und Kalifornien entwickeltes neues Design erweitert die Möglichkeiten des Bauteils noch einmal erheblich. Ihre Eigenschaften machen sie für Quantencomputer und neuromorphe Computer interessant.

Supraleitende Dioden sind nichts Neues, genutzt wird der Josephson-Effekt. Der entsteht, wenn zwei supraleitende Schichten durch eine dünne Trennschicht unterbrochen sind. Wird ein Strom an die Diode angelegt, verhält sich die Diode supraleitend, zwischen den beiden Kontakten wird also keine Spannung gemessen. Das ändert sich abrupt, wenn ein Grenzstrom Ic überschritten wird. Die Diode ist dann nicht mehr supraleitend und zwischen den Kontakten wird eine Spannung gemessen.

Hier findet sich die Analogie zur Halbleiterdiode: Der Grenzstrom hängt von der Richtung des Stromflusses ab, bei einer bleibt die Supraleitung länger erhalten. Daher werden stets zwei Grenzströme, Ic+ und Ic-, angegeben. Der Effekt erfordert ein schwaches magnetisches Feld von 40 ?T und lässt sich hierüber auch steuern: Abhängig von der Richtung des Felds lassen sich Ic+ und Ic- umkehren und sogar die Effizienz Q der Diode verändern. Letztere gibt vereinfacht ausgedrückt den Abstand zwischen Ic+ und Ic- an.

Neues Design bringt neue Möglichkeiten

So weit wäre an der Diode erst einmal nichts neu – auch wenn sie eine hohe Effizienz Q erreicht. Allerdings lässt sich Q auch über eine an die Kontakte angelegte Spannung steuern. Möglich wird das, da sie ein neuartiges Design mit drei oder mehr Kontakten nutzt.

Die Forscher kombinierten dafür mehrere Josephson-Kontakte. Auf eine Basis aus Indium-Galliumarsenid und Indium-Arsenid brachten sie eine Schicht aus epitaxialem Aluminium als Supraleiter auf. Die wurde Y-förmig getrennt und eine Sperrschicht aus Aluminiumoxid aufgebracht. Die entstehenden drei Josephson-Kontakte bilden die Diode, über jedem Kontakt befindet sich eine Elektrode. Allerdings, so die Forscher, könne jedes supraleitende Material verwendet werden – wichtig sei allein der Aufbau.

Im einfachsten Fall wird einer der Kontakte nicht genutzt, hier stellt sich das bereits oben beschriebene Diodenverhalten ein. Allerdings lässt sich die Effizienz Q der Diode nicht nur über das Magnetfeld, sondern auch über an die Kontakte angelegte Spannungen steuern. Zudem kann ein Steuerstrom an einem der drei Eingänge die Spannung an einem anderen, an dem ein Wechselstrom anliegt, steuern. Die Steuerung ist im supraleitenden Bereich nicht linear, was für etwa genutzt werden kann, um für neuromorphe Computer den Schwellwert von Neuronen nachzubilden. Zudem kann die Diode mit drei Kontakten zur Gleichrichtung von zwei Signalen genutzt werden, durch mehr Kontakte ließen sich die Möglichkeiten beliebig erweitern.

Praxistauglichkeit in weiter Ferne

Zwar betonen die Forscher, die von ihnen entwickelte Diode lasse sich "skalierbar und robust" fertigen. Alle vier gefertigten Dioden funktionierten demnach – allerdings erfolgten die Messungen bei ex.tremer Kälte: Der Test-Chip wurde auf nur 14 Millikelvin gekühlt. Eine umfangreiche Beschreibung der Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in Nature Communications.

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