Schweizer Forscher wollen Supraleiter für PCs entwickeln

Elektrogeräte der Zukunft sollen weniger Strom verbrauchen. Den Energiebedarf zu senken, gehört dem Paul Scherrer Institut (PSI) zufolge, zu einer der wesentlichsten Herausforderung bei der künftigen Entwicklung. Eine Möglichkeit ist es, die seit Jahrzehnten eingesetzten Halbleiter durch neuartige Materialien zu ersetzten. "Zu den besonders vielversprechenden Kandidaten gehören zwei Oxide ? Verbindungen von Metallen mit Sauerstoff", erklärt Vladimir Strocov, leitender Wissenschaftler am PSI. Die Metall-Sauerstoff-Verbindungen haben demnach die nötigen Eigenschaften, um künftig in Rechenchips eingesetzt zu werden.
 
Das Material ist magnetisch und supraleitend, kann also elektrischen Strom komplett ohne Widerstand leiten. Das Problem ist jedoch, dass das Material nur bei sehr tiefen Temperaturen, bei denen sich Computer nicht betreiben lassen, supraleitend ist. Wird die Temperatur erhöht, wird der Stromfluss im Material schwerfällig. Wie im Fachjournal 'Nature Communications' berichtet wurde, konnten PSI-Forscher nun aber die Ursache für die Schwerfälligkeit bei höheren Temperaturen bestimmen.
 
Offenbar macht die gleiche Verzerrung im Material den Stromfluss bei höheren Temperaturen schwerfällig, bei tiefen Temperaturen aber führt sie zu der supraleitenden Eigenschaft. Dies hängt mit dem Ionen-Gerüst des Materials zusammen: Wenn Strom durch ein Material fliesst, bedeutet dies, dass sich Elektronen durch dieses Material bewegen. Die Elektronen, die im Material fliessen, ziehen die Ionen zu sich und verzerren so das Gerüst erklärt Claudia Cancellieri, die als PSI-Wissenschaftlerin an der Studie beteiligt war. Durch die Anziehung werden die Elektronen bei normalen Temperaturen ausgebremst. Bei tiefen Temperaturen finden die Elektronen hingegen wegen der Verzerrung zu Paaren zusammen. Diese Paarbildung ist, wie man seit einigen Jahren weiss, der Grund dafür dass sich Elektronen ungehindert durch das Material bewegen. können.
 
Aufgrund dieses neuen Wissens wollen die Forscher nun ähnliche Materialien gezielt so verändern, dass sie auch bei höheren Temperaturen supraleitend bleiben. Ein Ansatz ist, mittels nanotechnologischer Verfahren einzelne Sauerstoffatome im Material durch Atome eines anderen Elements, das mehr Elektronen aufweist, zu ersetzen. Diese sollen dazu führen, dass sich die Elektronen auch bei höheren Temperaturen in Paaren durch das Material bewegen können und damit die supraleitende Eigenschaft des Materials erhalten bleibt. Auf dieser Grundlage könnten energiesparende Rechenelemente gebaut werden, um die heutigen Transistoren zu ersetzen. Transistoren sind auf Mikrochips milliardenfach vertreten und verantworten dem PSI zufolge einen grossen Teil des Energieverbrauchs der Chips. (kjo)