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Akustischer Einzel-Elektronen-Transport durch gestörte Kanäle

31.12.2003

Mit akustischen Oberflächenwellen können bei tiefen Temperaturen Elektronen einzeln und mit genau bekannter, hoher Frequenz durch einen schmalen Halbleiterkanal geführt werden. Damit kann man die Stromstärke-Einheit Ampere mit einer Naturkonstanten, der Elementarladung, verknüpfen. Gelingt es, die Fehlerquote beim „Abzählen“ der Elektronen so gering zu halten, dass eine kleinere Unsicherheit als bei der „klassischen“ Darstellung des Ampere resultiert, wäre die SI-Basis-Einheit Ampere auf ein Quantennormal zurückgeführt.

Durch intensive Arbeit mehrerer Forschergruppen gab es bereits beachtliche Fortschritte in dieser Richtung. Ein neues Ergebnis, erzielt bei einer Kooperation der PTB mit dem britischen „National Physical Laboratory“ (NPL) und der Universität Cambridge, eröffnet die Perspektive, auch den restlichen Teil des schwierigen Weges zu einem neuen Quantennormal erfolgreich in Angriff nehmen zu können.

Bei den Untersuchungen ergab sich, dass das mikroskopische Bild des akustischen Einzelelektronentransports bisher zu einfach war. Man ging z. B. von einem idealen Kanal aus, den die Elektronen ungestört passieren. Selbst in den aufwendig hergestellten Kristallen, die für diesen Effekt genutzt werden, gibt es jedoch immer noch Störungen. Sie können dazu führen, dass der „Kanal“ eher aussieht wie ein Fluss bei Niedrigwasser: einzelne „Pfützen“ elektrischer Ladung sind durch „trockene“ isolierende Bereiche getrennt.

Das überraschende Ergebnis der Untersuchungen war, dass in einem solchen Kanal schon bei erheblich geringerer akustischer Leistung präzis quantisierte Ströme auftraten. Die innere Struktur des Kanals führte zu einem regelmäßigen Muster in der gemessenen Stromstärke, was den Schluss erlaubte, dass die kleinen „Ladungspfützen“ bei der Selektion der einzelnen Elektronen helfen und somit eine kleinere akustische Welle ausreicht. Der Effekt könnte durch Herstellung eines gezielt „gestörten“ Kanals für eine weitere Verringerung der Unsicherheit genutzt werden.