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Einzel-Elektronentransport mit akustischen Oberflächenwellen

Arbeitsgruppe 2.53

Akustische Oberflächenwellen sind Schallwellen, die sich in einer dünnen Schicht an der Oberfläche eines elastisch deformierbaren Materials ausbreiten, ähnlich wie Erdbebenwellen entlang der Oberfläche der Erde. Die Dicke der Schicht entspricht in etwa der Wellenlänge des Schalls. Das ist bei Schallfrequenzen von einigen GHz weniger als 1 µm.

In piezoelektrischen Kristallen, wie z. B. Galliumarsenid, breitet sich mit der Schallwelle auch eine Welle des elektrischen Potentials aus, mit der man Elektronen in einem zweidimensionalen System nahe der Oberfläche des Kristalls bewegen kann. Man erzeugt damit einen elektrischen Strom, ohne eine elektrische Spannung anzulegen.

Begrenzt man den Strompfad durch eine künstliche Einschnürung auf eine Breite von weniger als einem Mikrometer, dann fließen die transportierten Elektronen einzeln und nacheinander durch die Einschnürung, und zwar im Idealfall und bei tiefen Temperaturen mit jedem Minimum der durchlaufenden akusto-elektrischen Welle ein Elektron. Es fließt somit ein Strom der Stärke I=e·f, wobei f die Frequenz der Schallwelle und e die elektrische Ladung des Elektrons ist.

Im Kern unserer Untersuchungen steht die Frage, wie gut dieser Idealfall zu erreichen ist, d.h. mit welcher Präzision die Beziehung I=e·f erfüllt werden kann. Wenn man auf der Basis dieses Effekts die elektrische Stromstärkeeinheit Ampere auf eine Quantengröße (die Elementarladung e) und die sehr genau realiserbare Größe Frequenz (=1/Zeit) zurückführen möchte und dabei mindestens so präzise sein will, wie es bei der klassichen Darstellung des Ampere der Fall ist, sollte der Fehler kleiner sein als 0,1 µA/A. Dieser Wert wird z. Zt. noch nicht erreicht, doch kann man davon ausgehen, dass durch das inzwischen bessere Verständnis der mikroskopischen Details des Transports eine Optimierung der Bauelemente und eine Verbesserung der Präzision möglich werden wird.

Die auf der Hand liegenden Vorteile einer akustoelektrischen Stromquelle sind auf jeden Fall die im Vergleich zu anderen Einzel-Elektronen Stromquellen höhere Frequenz sowie die Möglichkeit, durch Parallelschaltung von Einschnürkanälen die Stromstärke nochmals zu erhöhen. Letzteres konnten wir bereits experimentell demonstrieren und hinsichtlich der höchsten je erzielten Frequenz, mit der eine Quanten-Stromquelle betrieben wurde, liegt die PTB mit einem Wert von 4,78 GHz weltweit an der Spitze.