Ludwig-Maximilians-Universität München
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Quantenphysik

Elektronisches Gedrängel im Quantenstau

München, 29.08.2013

Quantenelektronische Schaltkreise sind durch Engstellen gekennzeichnet, an denen sich bei bestimmten Einschnürungen die Elektronen unerwartet stark stauen. Physikern gelang es nun, diese Anomalie präzise zu beschreiben.

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In der modernen Elektronik werden die Bauteile immer kleiner - erst die zunehmende Miniaturisierung macht den technologischen Fortschritt möglich. Eine neue Generation noch effizienterer Bauteile könnte entstehen, wenn die quantenmechanischen Besonderheiten sehr kleiner Komponenten für die Entwicklung quantenelektronischer Schaltkreise genutzt werden könnten. Eine herausragende Rolle spielen dabei kurze, eindimensionale Einschnürungen des Elektronentransports, sogenannte Quantenpunktkontakte. Im Unterschied zum makroskopischen Bereich ist der elektrische Leitwert von Quantenpunktkontakten quantisiert: Wird die Einschnürung des Quantenpunktkontakts stetig verengt, nimmt der Leitwert in Stufen des fundamentalen Leitwertquantums ab, bis er schließlich ganz verschwindet.

Zusätzlich wird der Leitwert eines Quantenpunktkontaktes in der letzten Leitwertstufe von einem subtilen Vielteilcheneffekt beeinflusst, der sogenannten 0.7-Anomalie: Erreicht der Leitwert etwa 0.7 des Leitwertquantums, kommt es zu einer unerwarteten und deutlichen Unterdrückung des elektrischen Leitwerts - d.h. Elektronen tun sich hier schwerer als erwartet, den Quantenpunktkontakt zu durchqueren. „Obwohl dieser Effekt aufgrund seiner großen Bedeutung für quantenelektronische Schaltkreise bereits seit etwa 15 Jahren untersucht wird, war sein mikroskopischer Ursprung bisher nicht verstanden“, sagt der LMU-Physiker PD Dr. Stefan Ludwig.

Ludwig und sein LMU-Kollege Professor Jan von Delft schafften nun gemeinsam den Durchbruch: Einem Team um die beiden Physiker, die auch Mitglieder des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich (NIM)“ sind, gelang es, durch eine geschickte Kombination von Experimenten und numerischen Rechnungen, den mikroskopischen Ursprung der 0.7-Anomalie detailliert zu erläutern.. „Der zugrunde liegende Mechanismus ist recht naheliegend: Je enger die Einschnürung des Quantenpunktkontakts ist, desto langsamer bewegen sich die Elektronen, die durchkommen“, erklären Florian Bauer und Jan Heyder, die die numerischen Rechnungen durchgeführt haben. „Kurz bevor die Einschnürung so eng ist, dass die Elektronen gar nicht mehr hindurch kommen, stauen sie sich und behindern dadurch andere Elektronen“. Ähnliches erlebt jeder, der inmitten eines Menschenpulks versucht, eine enge Toröffnung zu durchqueren. Das elektronische Gedrängel im Quantenstau präzise zu berechnen war jedoch eine große Herausforderung und nur durch eine enge Kooperation zwischen Theorie und Experiment möglich.

In Zukunft wollen die Wissenschaftler ihre neue Beschreibung von Wechselwirkungseffekten in Quantenpunktkontakten auf kompliziertere Hybridsysteme anwenden. „Dabei interessieren uns beispielsweise Quantenpunktkontakte zwischen supraleitenden und halbleitenden Materialien, die eine Fülle von bisher unverstandenen exotischen Effekten aufweisen“, sagt von Delft.

(Nature 2013)       göd

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