Elektronen im Gleichschritt

News: Elektronen im Gleichschritt

Gewöhnlich gleicht die Bewegung einzelner Elektronen durch einen elektrischen Leiter einem chaotischen Tanz. Ständig streuen die Ladungsträger an Materialdefekten, was sich letztlich im Widerstand und der damit verbundenen Erwärmung äußert. Nun gelang es jedoch Physikern, Elektronen in geordneter Weise über einen Leiter aus flüssigem Helium zu schicken.

Thorsten Krome

"So ein Kabel ist wie ein Gartenschlauch", erklärt ein Vater seinen Kindern. Der Wasserdruck entspricht der elektrischen Spannung, die durchfließende Wassermenge pro Zeiteinheit entspricht der Stromstärke, und wenn sich jemand auf den Schlauch stellt, dann kommt das dem Widerstand gleich. Doch so intuitiv sich an diesem Bild die Grundlagen und Begriffe der Elektrodynamik erklären lassen, so hinkt doch der Vergleich, wenn es um eine mikroskopische Vorstellung des Ladungstransport geht.

Denn anders als das Wasser, dessen Moleküle entlang des Schlauchs in Richtung Auslass strömen, vollführen die Elektronen in einem elektrischen Leiter einen regelrechten Hindernislauf. Im Zickzackkurs bewegen sie sich zwar im Mittel in die Richtung, die durch das Spannungsgefälle vorgegeben ist, doch streuen sie dabei permanent an kleinsten Fehlern im Leitermaterial und bewegen sich deshalb zuweilen sogar gegen den Strom.

Da bedarf es schon einiger Tricks und Kniffe, die Elektronenbewegung in geordnete Bahnen zu lenken. Dies gelang nun Philip Glasson und seinen Kollegen von der University of London und der University of Copenhagen mit einem besonderen Material. Wissenschaftler stellten nämlich bereits vor einigen Jahren fest, dass sich auf sehr kalten Oberflächen, wie flüssigem Helium, Elektronen ordnen und ein periodisches Gitter bilden. Derartige Wigner-Kristalle bestanden jedoch meist aus einer zweidimensionalen, statischen Anordnung – wenige Versuche gab es, diese Struktur zu manipulieren.

Daran versuchten sich nun Glasson und seine Kollegen: Sie stellten zunächst mit Laserstrahl- und Elektronenlithographie in halbleitendem Galliumarsenid ein System aus Mikrometer dünnen Kanälen her, das sie danach mit superfluidem Helium füllten. Aus einem glühenden, stromdurchflossenen Draht ließen die Physiker Elektronen austreten und auf das Helium regnen. Elektroden oberhalb und unterhalb der Galliumarsenidschicht fixierten dann die Ladungsträger in den Mikrokanälen, wo sie sich schließlich zu dünnen Wigner-Kristallen arrangierten.

Indem die Forscher ein oszillierendes elektrisches Feld anlegten, konnten sie diesen Elektronen-Kristall in den Kanälen hin und herschieben – also einen Wechselstrom erzeugen. "Der ganze Kristall bewegt sich wie ein Gebilde", erzählt Michael Lea von der University of London. Doch auch kleine Wellen auf der Helium-Oberfläche würden das Arrangement beeinflussen, ergänzt er. Denn die Forscher stellten fest, dass sich der Kristall ohne Probleme gleich schnell oder langsamer als die Wellen bewegen läst. Will man ihn jedoch schneller durch die Kanäle bugsieren, so ist eine große zusätzliche Kraft nötig – ganz ähnlich einem Flugzeug, das die Schallmauer durchbricht.

Die Wissenschaftler erhöhten schließlich die Stromstärke des "kristallinen" Wechselstroms und fanden heraus, dass die Grenzen des Kristalls plötzlich zu schmelzen begannen – ein Phasenübergang, den man bislang nicht beobachtet hatte.

Noch sind derlei Experimente weit entfernt von einer etwaigen Anwendung. Vielmehr geht es darum, grundlegende Eigenschaften von Elektronen unter besonderen Bedingungen zu erforschen. Doch Mark Deykman von der Michigan State University in East Lansing meint, dass solche Systeme in Zukunft vielleicht einmal das Herzstück eines Quantencomputers bilden könnten.

In einem derartigen Rechner entspräche jedes Elektron einem Quanten-Bit – dem Qubit. Anders als bei herkömmlicher Technik bei der ein Bit entweder den Zustand null oder eins trägt, kann ein Qubit alle möglichen Zustände gleichzeitig abbilden und ermöglicht so schnelles, paralleles Rechnen. Der Elektronenkristall könnte dann zur Speicherung von Daten dienen oder gar Rechenoperationen durchführen.