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Einzel-Elektronen-Transport am thermodynamischen Gleichgewicht

30.12.2005

Der Einzel-Elektronen-Transport durch einen Nano-Kanal mit Hilfe akusto-elektrischer Wellen wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht mit dem Ziel, ihn als Quantenstandard für die Einheit ’Ampere’ nutzbar zu machen. Als Kernproblem auf dem Weg dorthin wurde die zu hohe Temperatur sowohl des Kristallgitters, in dem die Elektronen sich bewegen, als auch des Elektronenensembles selbst erkannt. Die Überhitzung des Elektronenensembles kommt dadurch zustande, dass man mit sehr hohen akustischen Leistungen arbeiten muss, um die Elektronen über eine Potentialbarriere im elektrisch blockierten Kanal zu transportieren. Die Elektronen nehmen dabei Überschussenergie auf, die in Wärme umgesetzt wird.

Wir konnten nun erstmals nachweisen, dass auch bei kleinen akustischen Leistungen ein quantisierter Elektronentransport möglich ist, wenn ein fast offener Kanal benutzt wird. Für diesen Nachweis nutzten wir die elektronischen Eigenschaften des Nano-Kanals selbst, um die Leistung der akusto-elektrischen Welle quantitativ zu bestimmen. Durch Vergleich mit einem einfachen Modell konnten wir zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen die transportierten Elektronen kaum noch Überschussenergie aufnehmen, wodurch das eine der genannten Probleme deutlich geringer wird. Da bei diesem nahe am thermodynamischen Gleichgewicht stattfindenden Transport die zugeführte akusto-elektrische Leistung niedriger ist, sollte es nun auch möglich sein, durch Einsatz entsprechender Kryosysteme die Temperatur des Kristallgitters deutlich zu verringern und damit auch das andere genannte Problem zu vermeiden.