Elektronenladung durch fünf?

News: Elektronenladung durch fünf?

Jeder Student der Naturwissenschaften lernt, daß die unteilbare Einheit der elektrischen Ladung die des Elektrons ist. Vor zwei Jahren fanden Wissenschaftler jedoch heraus, daß unter gewissen Umständen Ladung so auf 'Quasiteilchen' verteilt sein kann, daß diese ein Drittel der Elementarladung tragen. Nun haben Physiker auch solche mit Fünftelladung entdeckt - ein entscheidender Fund, der nahelegt, die Unteilbarkeit der Elektronenladung endgültig aus den Physiklehrbüchern zu streichen.

Die Entdeckung von Bruchteilen der Elementarladung fußt auf einem Effekt, der bereits im Jahre 1879 beschrieben wurde – den sogenannten Hall-Effekt, der erlärte, warum ein magnetisches Feld senkrecht zu einem stromleitenden Draht eine Spannung erzeugt. Das Magnetfeld führt nämlich dazu, daß sich die Elektronen an einer Seite ansammeln. 1982 wurde dann der sogenannte fraktionierte Quanten-Hall-Effekt entdeckt: Wenn Elektronen bei sehr niedrigen Temperaturen innerhalb einer dünnen Schicht zwischen zwei Halbleitern eingeschlossen sind, steigt die Hall-Spannung bei Anlegen eines Magnetfeldes nicht kontinuierlich an, sondern in diskreten Stufen. Die Höhe der Stufen sollte eigentlich die unteilbare Ladung des Elektrons oder Vielfacher von dieser widerspiegeln. Zur Überraschung der Physiker konnten die Schrittweiten der Stufen nur durch Annahme von Bruchteilen der Ladung erklärt werden: 1/3, 2/3, 2/5 und 3/7.

Um diesen unerwarteten Befund zu erklären, schlug Robert Laughlin von der Stanford University ein Modell vor, nach dem sich Quasi-Teilchen in der Elektronenschicht ausbilden, wenn Elektronen mit magnetischen Wirbeln "verschmelzen". Einfach ausgedrückt ist die Bildung dieser Quasi-Teilchen, die aus einem Elektron und zwei Wirbeln bestehen, für das Auftreten von Drittelladungen verantwortlich. Bei niedrigeren Feldstärken können noch wesentlich kleinere Ladungsbruchteile vorkommen.

Nachdem im September 1997 ein israelisch-französisches Forscherteam den direkten Nachweis von Drittelladungen in einem Quanten-Hall-Versuch verkündete, konnte eine Arbeitsgruppe des Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel, unter Leitung von Mordehai Heiblum mit verbesserter Technik die noch flüchtigeren Fünftelladungen beobachten. Um diese Quasiteilchen aus der Elektronenschicht "herauszusieben", leiteten sie die Ladungen in einen sehr schmalen Kanal, der die Quasiteilchen mit Drittelladung passieren ließ und eine kleine Zahl derjenigen mit Fünftelladung reflektierte. Die Forscher wiesen diese Quasipartikel durch ihren Impuls nach, den sie in einem extrem empfindlichen Verstärker hervorriefen.

Obwohl Laughlins Theorie weitestgehend akzeptiert wird und er 1998 den Nobelpreis zusammen mit den Entdeckern des fraktionierten Quantenhalleffekts Horst L. Störmer und Daniel C. Tsui erhielt, fühlten sich Physiker bis zum definitiven Nachweis etwas unwohl mit der Vorstellung von gebrochenen Ladungen. Laughlin äußerte sich positiv über die neuen Resultate: "Ich bin sehr glücklich, aber nicht überrascht."

Siehe auch

Spektrum Brennpunkt-Thema vom November 1998
"Nobelpreis für Physik 1998"
Spektrum der Wissenschaft 12/98, Seite 20
"Neuartige Quantenflüssigkeit"
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