Supra-Modul mit Transistor-Eigenschaften

News: Supra-Modul mit Transistor-Eigenschaften

Seit fast 20 Jahren tüftelten Wissenschaftler daran, die besonderen Eigenschaften eines Transistors und eines Supraleiters zu vereinen, um ein Transistor-ähnliches Bauteil für spezielle Aufgaben zu haben - wie beispielsweise für Messungen im Niedertemperatur-Bereich. Mit dünnen Schichten aus Aluminium und Niob gelang es ihnen nun, ein supraleitendes Elektronik-Modul zu entwickeln, das wie ein herkömmlicher Halbleiter-Transistor elektrische Ströme verstärken kann.

Mit Transistoren gelang es Wissenschaftlern 1947 erstmals, ein elektronisches Bauteil im Miniatur-Maßstab zu konstruieren, das sowohl als Schalter als auch als Verstärker funktioniert. Schnell ersetzte das neue Halbleiter-Element die klobigen und teuren Elektronenröhren. Bisher gelang es den Forschern jedoch nicht, aus supraleitenden Materialien ein Transistor-ähnliches Bauteil zu konstruieren.

Der Physiker Giampiero Pepe der Universität Neapel und seine Mitarbeiter entwickelten kürzlich aus supraleitenden Materialien ein elektronisches Bauteil mit Transistor-artigen Eigenschaften. Ähnlich wie dieser besitzt die Vorrichtung drei Elektroden: eine Niob-Injektor-Elektrode, eine gewöhnliche Elektrode, die aus jeweils einer Schicht Niob und Aluminium besteht, sowie einer Niob-Detektor-Elektrode. Isolierende Barrieren trennen die Elektroden, ermöglichen jedoch als Übergangsstellen den Elektronenfluss durch den so genannten Tunneleffekt. Die Forscher nahmen ihre Erfindung bei einer Temperatur von etwa minus 269 Grad Celsius – das entspricht 4,2 Kelvin – in Betrieb. Dort, nahe am absoluten Nullpunkt der Temperatur, sind alle Niob-Schichten der Vorrichtung supraleitend. Solange kein Strom durch die Injektorelektrode fließt, hat die Aluminiumschicht aufgrund des Nachbarschaftseffektes ebenfalls die Eigenschaften eines Supraleiters. In supraleitenden Metallen bilden die Elektronen so genannte Cooper-Paare. Um sie zu spalten, wird dann die gleiche Energiemenge benötigt, wie beim Überspringen der Energielücke zur Supraleitung.

Solange die Forscher nur einen kleinen Strom durch die Injektor-Elektrode schickten, blieb die Aluminiumschicht supraleitend. Die Elektronen bleiben dann in der Aluminiumschicht gefangen, aber jedes Elektron kann höchstens eines der Elektronenpaare spalten, sodass nur relativ wenige Elektronen die Detektor-Elektrode erreichen. Die Verstärkung des Stromes ist gering. Als die Wissenschaftler jedoch den Injektor-Strom erhöhten, verlor die Aluminiumschicht ihre supraleitenden Eigenschaften. Ihre Energielücke, die zuvor niedriger war als die von Niob, verschwand. Die zugeführten Elektronen erhöhten die Temperatur so weit, dass eine große Anzahl von ihnen aufgrund des Tunnel-Effektes über die Übergangsstelle zum Detektor gelangte. Dieser Prozess verstärkte den Strom auf mehr als das 50-fache und Signale um den Faktor 1 000.

Ihre Entdeckung könnte nun für ein weites Spektrum an Tieftemperatur-Detektoren für Teilchen und Strahlungen genutzt werden und so in der Teilchenphysik und Astrophysik Anwendung finden.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 10.2.2000
"Transistor auf der Überholspur"
Spektrum Ticker vom 18.2.2000
"Elektronenwolken eines Supraleiters"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)

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