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Ein Einzel-Elektronen-Drehkreuz mit akustischen Oberflächenwellen

18.02.2005

Mit akustischen Oberflächenwellen können bei tiefen Temperaturen einzelne Elektronen nacheinander und mit genau bekannter, hoher Frequenz durch einen eindimensionalen Halbleiterkanal geführt werden. Der Effekt erlaubt es, die Stromstärke-Einheit Ampere mit einer Naturkonstanten, der Elementarladung, zu verknüpfen. Gelingt es, die Fehlerquote beim “Abzählen” der Elektronen so gering zu halten, dass eine insgesamt kleinere Unsicherheit als bei der "klassischen" Darstellung des Ampere resultiert, wäre die SI-Basis-Einheit Ampere auf ein Quantennormal zurückgeführt.

Das frühere Ergebnis, dass dieser Effekt bei einer geringeren akustischen Leistung auftritt, wenn der Kanal nicht perfekt sondern durch Störstellen unterbrochen ist, konnten wir nun in einem gemeinsam mit dem NPL, Grossbritannien, durchgeführten Projekt dadurch eindrucksvoll bestätigen, dass ein solcher gestörter Kanal mit lithographischen Methoden hergestellt und in seinen Eigenschaften gemessen wurde. Die "Störstelle" in diesem Kanal war abstimmbar und erlaubte es, unsere Modellvorstellungen von der Wirkungsweise einer solchen Störstelle zu überprüfen.

Wir fanden eine komplette Übereinstimmung mit den Erwartungen aufgrund unseres Modells: der gestörte eindimensionale Kanal wirkt wie ein nulldimensionales System (ein Quantenpunkt), der durch kleine Barrieren von den Zuleitungen getrennt ist. Das elektrische Potential der akustischen Oberflächenwelle moduliert diese Barrieren in einer Weise, dass abwechselnd der Ein- und Ausgang des Quantenpunkts etwas geöffnet werden, so dass die Ladungsträger von dem als Welle laufenden Potential einzeln durch den Bereich hindurchgeschleust werden. Die Wirkungsweise ist ähnlich der eines Drehkreuzes an einem Supermarkteingang, das immer nur von einer Person passiert werden kann. Neu war bei unseren Messungen die Tatsache, dass der Effekt bei der sehr hohen Frequenz von 3 GHz auftrat. Die dabei beobachtete Präzision lag zwar nur im Prozentbereich, doch mit einer Optimierung der entsprechenden Schaltungen sollten bessere Eigenschaften zu erzielen sein.