Magnesium, ein leichtes und reaktives chemisches Element, könnte eine große Überraschung bereithalten. Forscher erwägen, ihm eine bisher unbekannte Rolle im Bereich der Supraleiter zuzuweisen.
Dieses Erdalkalimetall, das in der Natur reichlich vorkommt und für den menschlichen Stoffwechsel essenziell ist, wird auch von alternden Sternen produziert. Obwohl es ein guter elektrischer Leiter ist, wurde es nie als Supraleiter betrachtet – bis zu den jüngsten Forschungsarbeiten.
Ein Forscherteam, darunter Giovanni Ummarino von der Polytechnischen Universität Turin, hat untersucht, wie Quantenconfinement nicht-supraleitende Elemente in Supraleiter verwandeln könnte. Ihre Studie, veröffentlicht in
Condensed Matter, legt nahe, dass Magnesium in Form ultradünner Filme diesen Zustand erreichen könnte.
Das Quantenconfinement, ein Phänomen, bei dem die Energie eines Quantenteilchens mit seiner räumlichen Einschränkung zunimmt, steht im Mittelpunkt dieser Entdeckung. Die Berechnungen der Forscher, ohne anpassbare Parameter, sagen eine kritische Temperatur von 10 Kelvin für Magnesiumfilme mit einer Dicke von weniger als 1 Nanometer voraus.
Diese Temperatur, die mit flüssigem Helium erreicht werden kann, eröffnet Perspektiven für Anwendungen in der Quantenelektronik. Im Gegensatz zu Aluminium, das derzeit für Qubits verwendet wird, könnte Magnesium bei höheren Temperaturen funktionieren, was die Kosten und die Umweltbelastung reduziert.
Die Auswirkungen dieser Entdeckung könnten erheblich sein, insbesondere im Bereich des Quantencomputings. Der Ersatz von Aluminium durch Magnesium in Qubits könnte Quantentechnologien zugänglicher und nachhaltiger machen.
Die Forscher warten nun auf eine experimentelle Bestätigung ihrer Vorhersagen. Sollte sich diese bestätigen, könnte dieser Durchbruch einen Wendepunkt in der Entwicklung von Supraleitern und ihren Anwendungen markieren.
Diese Studie zeigt, wie theoretische Fortschritte den Weg für bedeutende technologische Innovationen ebnen können. Magnesium, ein gewöhnliches Element, könnte so zu einem Schlüsselakteur der zukünftigen Quantentechnologien werden.
Was ist Quantenconfinement?
Quantenconfinement beschreibt die Zunahme der Energie eines Quantenteilchens, wenn es räumlich eingeschränkt wird. Dieses Phänomen, das mit der Heisenbergschen Unschärferelation verbunden ist, bedeutet, dass je lokalisierter ein Teilchen ist, desto größer seine Energiefluktuationen sind.
Für Materialien kann Quantenconfinement ihre elektronischen Eigenschaften radikal verändern. Beispielsweise können ultradünne Metallfilme ihre Fähigkeit zur Stromleitung verändern und von einem normalen in einen supraleitenden Zustand übergehen.
Diese Eigenschaft eröffnet Perspektiven für die Entwicklung neuer Materialien mit bisher unbekannten Funktionen. Forscher nutzen dieses Phänomen, um Materiezustände zu erkunden, die bisher unzugänglich waren.
Quantenconfinement stellt somit ein mächtiges Werkzeug für die Materialwissenschaft dar, das es ermöglicht, die Grenzen bekannter physikalischer Eigenschaften zu erweitern.
Warum ist die kritische Temperatur in der Supraleitung wichtig?
Die kritische Temperatur ist die Temperatur, unterhalb derer ein Material supraleitend wird. Sie bestimmt die notwendigen Bedingungen, um dieses Phänomen zu beobachten, insbesondere die erforderliche Kühlung.
Eine höhere kritische Temperatur erleichtert die Nutzung der Supraleitung, da sie kostengünstigere und zugänglichere Kühlmethoden ermöglicht. Beispielsweise kann flüssiges Helium, das günstiger ist als andere Technologien, bis zu 4,5 Kelvin eingesetzt werden.
Im Fall von Magnesium bedeutet eine kritische Temperatur von 10 Kelvin, dass flüssiges Helium ausreichen würde, um den supraleitenden Zustand zu erreichen. Dies steht im Gegensatz zu Aluminium, das tiefere Temperaturen und damit anspruchsvollere Kühltechnologien erfordert.
Die Suche nach Materialien mit höheren kritischen Temperaturen ist daher ein zentrales Anliegen, um supraleitende Technologien wirtschaftlicher und praktikabler zu machen.
Quelle: Condensed Matter