Julius-Maximilians-Universität Würzburg Wenn Elektronen im Stau stehen

Der dünnste Draht der Welt, hergestellt aus purem Gold, wird von Physikern der Universitäten Würzburg und Kassel untersucht. Für Aufsehen sorgt jetzt der Nachweis seiner ungewöhnlichen elektrischen Leitfähigkeit: Die Elektronen bewegen sich nicht frei durch den Draht, sondern wie Autos im Stop-and-Go-Verkehr.

Anbieter zum Thema

Bürklin GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

dataTec AG

Im Normalfall wandern Elektronen kreuz und quer durch Metalle oder andere elektrisch leitende Materialien. Das ändert sich, wenn man die Leiter immer kleiner macht.

Die Würzburger Physiker am Lehrstuhl von Professor Ralph Claessen haben die Miniaturisierung auf die Spitze getrieben: Ihre Nanodrähte bestehen aus einzelnen Goldatomen, die kettenförmig angeordnet sind – kleiner geht es nicht. In Kooperation mit Professor René Matzdorf an der Universität Kassel und Luc Patthey am Paul-Scherrer-Institut nahe Zürich wurden jetzt die elektrischen Eigenschaften der Nanodrähte untersucht.

In den Nanodrähten sind die Elektronen so eingeengt, dass sie sich nur in eine Richtung bewegen können, nämlich entlang der Drähte. Und selbst dieses bisschen Freiheit können sie nicht voll ausnutzen. Sie kommen nur im Stop-and-Go-Verkehr voran – ähnlich wie im Stau auf der Autobahn, wenn den Fahrzeugen nur eine Spur zur Verfügung steht.

Erst wenn ein Auto in der Schlange ein Stück fährt, kommen auch die anderen voran. „Genau so sind die Bewegungen der Elektronen in einem Nanodraht korreliert“, sagt Matzdorf. „Dabei können sie nur ausgewählte Energien annehmen, was sich in der elektrischen Leitfähigkeit widerspiegelt und von uns im Experiment genau vermessen wurde.“

Elektronenstau experimentell nachgewiesen

Den Elektronenstau hat Claessens Team in Kooperation mit den Kollegen aus Kassel und dem Paul-Scherrer-Institut nun experimentell nachgewiesen. Den Wissenschaftlern gelang das mit hoch empfindlichen Messmethoden, der Rastertunnelmikroskopie und der Photoemission. Damit konnten sie die ungewöhnlichen Zustände der Elektronen direkt abprüfen. Ihre Ergebnisse sind in „Nature Physics“ publiziert.

„In den Atomketten haben wir bisher nicht gekannte Möglichkeiten, die Eigenschaften einer eindimensionalen Quantenflüssigkeit auszumessen“, erklärt Claessen. Von einer Quantenflüssigkeit sprechen Physiker, wenn die Elektronen in solch engen Bahnen eingesperrt sind. Die Eigenschaften dieser „Flüssigkeit“ haben Theoretiker schon in den 1960er-Jahren vorhergesagt. In Experimenten tatsächlich auch beobachtet wurden bislang aber nur wenige davon.

Es hat Jahrzehnte gedauert, diese besonderen Elektronenzustände experimentell in atomaren Nanostrukturen zu erzeugen. „Das liegt vor allem daran, dass die bisher hergestellten Nanodrähte zu nah beieinander lagen und sich gegenseitig beeinflusst haben, so dass keine Quantenflüssigkeit entstehen konnte“, erklärt Claessens Mitarbeiter Jörg Schäfer.

Dieses Problem haben die Würzburger Physiker vor gut zwei Jahren behoben: In einem ausgeklügelten Verfahren dampfen sie Goldatome so auf Germanium-Plättchen auf, dass die Atome sich von ganz alleine zu geradlinigen, parallel verlaufenden Ketten anordnen, die weit genug voneinander entfernt sind.

Praktische Bedeutung für die weitere Miniaturisierung elektronischer Bauelemente

Die Nanodrähte wollen die Physiker jetzt als atomaren Baukasten nutzen. Sie denken zum Beispiel daran, zwischen den Drähten Kontakte aus einzelnen Atomen oder Molekülen einzubauen, was winzigen atomaren Schaltelementen entsprechen würde.

Derartige ultradünne Leiterbahnen könnte man sich auch in einer extrem miniaturisierten Nanoelektronik vorstellen, so die Uni Würzburg auf Nachfrage von ELEKTRONIKPRAXIS: Wenn man damit Dioden oder Transistoren kontaktieren würde, so muß man damit rechnen, daß die Energiezustände der Elektronen durch den "Staueffekt" der Quantenflüssigkeit beeinflußt werden. Dies muß nicht unbedingt zum Nachteil sein, denn oft werden bestimmte Materialleitfähigkeiten gezielt in Bauelementen eingesetzt, um das Schaltverhalten besonders fein zu steuern.

Dabei muß ganz klar gesagt werden, daß die extrem kleinen atomaren Stukturgrößen in der jetzigen Forschungsarbeit noch etwa 100 x kleiner sind als heutige Standards in der Lithographie von Halbleiterschaltungen.

Daher sollen mit der vorliegenden Studie Effekte an der untersten Grenze der Miniaturisierung aufgespürt werden, die man auch in zukünftigen ultrakleinen Halbleiterstrukturen wird antreffen können.

(ID:28586890)