Neuartiger Leiter für Magnetfelder

Elektromagnetische Wellen lassen sich über weite Entfernungen hinweg übertragen, etwa per Funktechnik oder über Glasfaserkabel. Mit statischen – also zeitlich unveränderlichen – Magnetfeldern war dies bisher nicht möglich, denn ihre Stärke nimmt mit dem Abstand von der Quelle rasch ab. Ein internationales Physikerteam hat nun einen neuartigen Leiter entwickelt und im Labor erprobt, der magnetische Felder über beliebig große Distanzen transportieren kann. Die Palette der möglichen Anwendungen reicht von der Spintronik bis hin zum Quantencomputer, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

Von einem kleinen Rechteck, das mit den Buchstaben „N“ für Nordpol und „S“ für Südpol beschriftet ist, gehen geschlossene, magnetische Feldlinien aus. Die Feldlinien scheinen aus der Ober- und Unterseite des Rechtecks zu entspringen und ziehen rechts und links immer größere Kreise. Oberhalb treffen auf sie auf einen Materialstreifen, in dem sie parallel über eine größere Distanz „verlängert" werden. Noch weiter oben treten sie in ihren ursprünglichen Kreisformen wieder aus dem Materialstreifen herausaus.
Modell eines Leiters für magnetische Felder

„Unsere theoretischen Überlegungen haben gezeigt, dass ein Material zur Leitung von Magnetfeldern über extrem anisotrope Eigenschaften verfügen muss“, sagt Koautor Oriol Romero-Isart vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Das Material sollte also in einer Ausbreitungsrichtung besonders durchlässig für Magnetfelder sein, senkrecht dazu jedoch die magnetische Übertragung abschirmen. Da kein natürliches Material über diese extremen Eigenschaften verfügt, entwickelten die Physiker eine Art magnetischen Schlauch: Sie ummantelten einen Zylinder aus ferromagnetischem Material mit einem Supraleiter, der ein perfekter magnetischer Isolator ist.

Die Berechnungen der Forscher hatten ergeben, dass eine solche Struktur aus abwechselnden Schichten von Ferromagneten und Supraleitern bis zu 90 Prozent eines Magnetsfelds über beliebige Distanzen transportieren kann. Bereits zwei Schichten sollten genügen, um bis zu 75 Prozent des Magnetfelds zu übertragen. Dieses theoretische Konzept setzte das Team dann im Labor um. Es umhüllte einen Ferromagneten aus Eisen und Kobalt mit dem Hochtemperatursupraleiter Yttrium-Barium-Kupferoxid und testete die Anordnung im Experiment. „Trotz der nicht optimalen technischen Ausrüstung konnten wir zeigen, dass ein statisches Magnetfeld sehr gut durch das Material geleitet wird“, erzählt Teammitglied Alvaro Sanchez von der Universität Barcelona.

Die neue Methode könnte zum Beispiel bei zukünftigen Quantentechnologien zum Einsatz kommen, wo statische Magnetfelder Quantenbits miteinander koppeln. Aber auch Anwendungen in der Spintronik, die das magnetische Moment des Elektrons zur Informationsverarbeitung nutzt, sind möglich.