Mikroelektronik

DLR: Simulationen von Supraleitern enorm beschleunigt – Forschung zeigt vielversprechende Erkenntnisse für Hightech-Materialien

12. November 2023. Ein Team von Mathematikern und Physikern der Universität des Saarlandes, der Universität Eindhoven und des DLR-Instituts für Softwaretechnologie hat eine Methode entwickelt, mit der sich die Simulation der elektrischen Eigenschaften von Supraleitern deutlich verbessern lässt. Die Methode basiert auf einer Formel, die zwei Mitglieder des Forscherteams, Dr. Andreas A. Buchheit (Universität des Saarlandes) und Dr. Torsten Keßler (Universität Eindhoven) 2022 veröffentlicht haben.

Symbolbild Halbleiter / pixabay analogicus

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Die Formel beschreibt so genannte langreichweitige Wechselwirkungen, wie sie häufig in der Natur vorkommen. Für den Physiker Dr. Benedikt Fauseweh vom DLR-Institut für Softwaretechnologie lag es nahe, die Formel auf das Verhalten von Supraleitern auf atomarer Ebene zu übertragen. Im Supraleiter lagern sich Elektronenpaare, so genannte Cooper-Paare, zu größeren Komplexen, so genannten Bose-Einstein-Kondensaten, zusammen. Die Schwingungen dieser Komplexe lassen sich einfacher als die Zustände jedes einzelnen Elektrons berechnen.

Konkret entwickelten die Forschenden in interdisziplinärer Zusammenarbeit eine Methode, mit der sich die physikalischen Eigenschaften eines Supraleiters auf Basis der mathematischen Formel von Andreas Buchheit berechnen und simulieren lassen. Dr. Torsten Keßler beschäftigte sich mit der Entwicklung eines Codes, der die mathematische Formel in Simulationsrechnungen umsetzt. Dr. Peter Ken Schuhmacher, ebenfalls Absolvent der Universität des Saarlandes und wissenschaftlicher Mitarbeiter am DLR-Institut für Softwaretechnologie, steuerte zusammen mit Gruppenleiter Benedikt Fauseweh das Expertenwissen aus der Festkörperphysik bei.

Nicht nur der Nachweis am Anwendungsfall der Supraleiter macht die Methode interessant – spannend, wenn auch zunächst überraschend, ist vor allem die exponentiell abnehmende Rechenzeit der Simulationen bei immer mehr simulierten Teilchen in einem System. Es werden nämlich nicht die Kräfte auf einzelne Teilchen berechnet, sondern vielmehr ihr Verhalten in größeren strukturellen Einheiten. Für die Praxis bedeutet dies, dass die Berechnungen zum Verhalten von Elektronen in Supraleitern mit der entwickelten Methode nicht mehr die Rechenkapazitäten eines Supercomputers benötigen, sondern auf gängigen PCs laufen. Simulationen können so schneller und in größerer Zahl ohne Anbindung an Supercomputer durchgeführt werden.

Im nächsten Schritt könnte dies einen enormen Schub in der Entwicklung von funktionalen Materialien für Hightech-Anwendungen bedeuten. Supraleiter werden bereits heute in der Hardware von Quantencomputern, in der Magnetresonanztomographie und in anderen Bereichen von Hochleistungsenergieanwendungen eingesetzt. Durch die neu entwickelte Methode lassen sich die Eigenschaften von Supraleitern bereits im Vorfeld durch Simulationen verifizieren, was wiederum eine deutliche Verkürzung der physikalischen Herstellung und Messung im Entwicklungsprozess bedeutet.

Die Ergebnisse der neuen interdisziplinären Forschung wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Research veröffentlicht:

Phys. Rev. Research 5, 043065 (2023) – Exact continuum representation of long-range interacting systems and emerging exotic phases in unconventional superconductors (aps.org)
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.5.043065

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Dr. Benedikt Fauseweh
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Softwaretechnologie, High-Performance Computing
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