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News: Fluss ohne Widerstand

Die widerstandslose Stromleitung sollte eigentlich völlig selbstverständlich sein, man müsste nur in der Lage sein, die Elektronen durch einen eindimensionalen und perfekt kristallinen Leiter fließen zu lassen. Doch wie misst man dann den Widerstand, ohne den Stromfluss zu verändern? Mit einem Trick! Forschern gelang die indirekte Messung des Widerstands in einem solchen Quantendraht - und der ging tatsächlich gegen Null.
Samstag vormittag in der Fußgängerzone: Menschen drängen in alle Richtungen, und Marktstände verhindern ein direktes Durchkommen. Ganz wie dem eiligen Konsumenten geht es auch den Elektronen, die sich innerhalb eines unter Spannung stehenden Drahtes bewegen. Sie kollidieren untereinander, werden von Störungen im Kristallgitter des Drahtes umgelenkt und erreichen jedenfalls das Ziel niemals auf direktem Wege - und je hektischer das Treiben, umso größer der Widerstand.

Im Umkehrschluss hieße das aber auch, dass der Widerstand eines Drahtes umso geringer wird, je dünner er ist und je perfekter seine Kristallstruktur. Die negativen Ladungen könnten dann nur in eine Richtung geleitet werden und würden nirgendwo von ihrem geraden Weg abgelenkt. So ein Draht müsste sich also wie ein Supraleiter verhalten.

Seit langem reizt die Wissenschaftler die Herstellung eines solchen Quanten- oder ballistischen Drahtes, der so heißt, weil sich die Elektronen entlang eines eindimensionalen Pfades, wie Projektile, ungestört und geradlinig fortbewegen. Doch schienen derlei Versuche bislang wenig erfolgreich, denn am Ende maßen die Forscher immer noch Widerstände in der Größenordnung von 13 Kiloohm.

Doch diese 13 Kiloohm entsprachen gar nicht dem Widerstand des Drahtes selber, sondern sind allein auf die Kontakte zurückzuführen, an denen der Widerstand gemessen wurde. Doch wie lässt sich dies verhindern? Kann man überhaupt den Eigenwiderstand eines Drahtes messen, wenn er kleiner ist als der Kontaktwiderstand?

Man kann, und Rafael de Picciotto von Bell Laboratories und seinen Kollegen ist dieses Kunststück gelungen. Um den physikalischen Kontakt bei der Spannungsabnahme zu vermeiden, bedienten sie sich eines Tricks. Sie stellten den perfekten eindimensionalen ballistischen Draht her, indem sie zunächst ein Sandwich aus zwei Halbleitern herstellt, sodass ein zweidimensionales Elektronengas entsteht. Am Rand dieser kristallinen Halbleiter bildete sich eine überaus scharfe und gleichmäßige, eindimensionale Kante aus: der eigentliche Quantendraht. Wird nun parallel zu dieser Kante eine negative Spannung angelegt, entzieht sie dem zweidimensionalen Elektronengas die Elektronen, konserviert aber den Quantendraht, der die Halbleiterkante darstellt.

Bleibt das Problem der Widerstandsmessung, denn der Spannungsabgriff an der Kante - dem Quantendraht - würde ja den Stromfluss selbst verändern und somit die Ergebnisse verfälschen. Deshalb bedienten sich die Forscher den Veränderungen des zweidimensionalen Elektronengases. Hier konnten sie den Widerstand messen, ohne den Stromfluss im Quantendraht selbst zu beeinflussen.

De Picciotto ließen mit ihrem Experiment einen Traum der Physiker wahr werden. Tatsächlich war der Widerstand ihres ballistischen Drahtes beinahe Null, und sie konnten zudem zeigen, dass der Widerstand des Quantendrahtes, greift man ihn an den Elektroden ab, jenen 13 Kiloohm entspricht. Für die Mikroelektronik könnte dieser Erfolg zum wahren Quantensprung werden, denn schon bald könnten die eindimensionalen Quantendrähte mikroskopisch kleine Bauteile widerstandsfrei miteinander verbinden.

  • Quellen
Nature 411: 51–54 (2001)

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