Das quantenmechanische Tunneln von in supraleitenden Materialen existierenden Elektronenpaaren durch eine isolierende Barriere führt zu den Josephson-Effekten. Auf diesen beruht ein sehr breites Anwendungsspektrum, das von der Magnetoenzephalographie in der medizinischen Diagnostik über neue luftgestützte Methoden zur Rohstofferkundung bis hin zum Spannungsstandard in der Metrologie reicht.

Das komplementäre quantenmechanische Phänomen – coherent quantum phase slip genannt – ist theoretisch ebenfalls lange beschrieben, konnte jedoch experimentell bisher nicht eindeutig nachgewiesen werden. In einem internationalen Forschungsteam ist hierzu nun ein Durchbruch gelungen, in dem erstmalig in einer nur nanometerbreiten Niobnitrid-Struktur unter Mikrowelleneinstrahlung erzeugte Stromstufen in Strom-SpannungsKennlinien gemessen werden konnten. Diese Stufen treten äquidistant bei Stromwerten von exakt In = 2e∙f∙n auf, wobei 2e die elektrische Ladung eines Elektronenpaares, f die Frequenz der eingestrahlten Mikrowellen im Gigahertz-Bereich und n eine ganze Zahl ist, die die Stufenordnung bezeichnet. Die Stromstufen werden durch kohärentes Tunneln elementarer magnetischer Flussquanten quer durch den Nanodraht hervorgerufen, was zu einem Phasensprung (engl. phase slip) der Wellenfunktion der Elektronenpaare um 2π entlang des Drahtes führt. Damit wird sowohl eindeutig der Nachweis des bisher kontrovers diskutierten Quanteneffekts erbracht, zugleich das Prinzip eines zukünftigen Quantenstandards für den elektrischen Strom demonstriert.

Das überzeugende Experiment wurde durch die Entwicklung von Niobnitrid-Nanoschichten am Leibniz-IPHT ermöglicht, die auf der Atomlagen-Beschichtung basieren. Die einzigartigen Eigenschaften des ultra-dünnen, ungeordnetsupraleitenden Materials legen so die Grundlagen für eine neue Generation von Quantentechnologien, die auf quantum phase slip und sehr großen kinetischen Induktivitäten beruhen. Beispiele hierfür sind die Realisierung des Quantencomputers und des quantenmetrologischen Dreiecks. In zukünftigen Quantenschaltkreisen könnten die Nanoschichten des Instituts zu einer noch breiteren Anwendung als die der Josephson-Effekte führen.