Arbeitsgruppe Supraleiter-Hybridstrukturen

Aktuelle Forschungsthemen:

 

Quanten-Elektrotechnik auf der Basis von supraleitenden Triplett-Zuständen

Supraleitung und Ferromagnetismus werden üblicherweise als einander entgegenwirkende Quantenzustände angesehen, da in klassischen Supraleitern die Elektronenspins in Singlett-Cooperpaaren antiparallel, in Ferromagneten hingegen parallel ausgerichtet sind. Der Wettstreit von Supraleitung und Ferromagnetismus in daraus aufgebauten sehr kleinen Hybridstrukturen führt jedoch zur Bildung von Triplett-Cooperpaaren mit paralleler Spin-Ausrichtung. Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist eine spin-abhängige Phasenverschiebung der elektronischen Wellenfunktion an sogenannten spin-aktiven Grenzflächen. Dies führt zu gebundenen Andreev-Zuständen, die sich als Resonanzen in der Leitfähigkeit von Supraleiter-Ferromagnet-Nanokontakten beobachten lassen.

 

Schematische Darstellung von gebundenen Andreev-Zuständen an spin-aktiven Grenzflächen

Ausgewählte Veröffentlichungen:
(1)   F. Hübler et al., Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 87004
(2)   S. Diesch et al., Nat. Commun. 9 (2018) 5248

 

Spin-Transport außerhalb des Gleichgewichtszustands

Supraleiter sind vielversprechende Kandidaten für die Untersuchung der Funktionalität von Spintronik aufgrund ihrer Fähigkeit, hochgradig spin-polarisierte Quasipartikel-Ströme und spin-polarisierte Triplett-Supraströme zu erzeugen und Spin- und Ladungsträger-Freiheitsgrade zu separieren. Singulett-Cooper-Paare ermöglichen eine sehr lange Spin-Lebensdauer der Quasipartikel.
Bei unseren Untersuchungen des Nichtgleichgewichts-Transports von Ladung und Spin in supraleitendem Aluminium beobachteten wir einen langreichweitigen Spin-Transport bei Anwesenheit einer großen Zeeman-Aufspaltung. Diese Spin-Ströme sind auch mit Wärme-Strömen verknüpft und haben damit auch einen starken thermoelektrischen Effekt zur Folge.

 

Durch Spintransport hervorgerufene nichtlokale Leitfähigkeit

Ausgewählte Veröffentlichungen:
(3)   F. Hübler et al., Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 207001
(4)   M. J. Wolf et al., Phys. Rev. B 87 (2013) 24517
(5)   M. J. Wolf et al., Phys. Rev. B 90 (2014) 144509
(6)   S. Kolenda et al., Phys. Rev. Lett. 116 (2016) 97001
(7)   S. Kolenda et al., Phys. Rev. B 95 (2017) 224505
(8)   J. Heidrich et al., Phys. Rev. B 100 (2019) 134501

 

Gekreuzte Andreev-Reflexion

Eine gekreuzte Andreev-Reflexion ("CAR", "Crossed Andreev Reflection") ist ein Prozess, bei dem ein in einen Supraleiter über eine (normal-)metallische Zuleitung eindringendes Elektron ein Cooperpaar im Supraleiter erzeugt und dabei in eine weitere (normal-)metallische Zuleitung ein Elektron in einem Lochzustand reflektiert. Für die Quanteninformationsverarbeitung ist dieser Prozess, bei dem ein Paar aus räumlich getrennten, aber quantenmechanisch miteinander verwobenen ("entangled") Elektronen erzeugt wird von großem Intersse. Wir konnten mittels ferromagnetischer Elektroden über die Auswahl des Elektronen- und Loch-Spins die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines solchen CAR-Ereignisse steuern.

 

Schematische Darstellung einer gekreuzten Andreev-Reflexion

Ausgewählte Veröffentlichungen:
(9)   J. Brauer et al., Phys. Rev. B 81 (2010) 24515