Physikern der ETH Zürich ist es gelungen, künstliche Quantenringe aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid herzustellen und darin einen elektrischen Strom zu beobachten. In solchen Quantenstrukturen verhalten sich Elektronen, deren Bewegung für den elektrischen Strom verantwortlich ist, nicht mehr wie Teilchen, sondern wie Wellen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher um Klaus Ensslin in der Fachzeitschrift Nature in der Ausgabe vom 25. Oktober.
Das besondere an Elektronenwellen ist, dass sie sich wie Wasser- oder Lichtwellen überlagern und an bestimmten Orten gegenseitig auslöschen oder verstärken, das heißt miteinander interferieren. Pflanzt sich eine Elektronenwelle einer bestimmten Wellenlänge in einem ringförmigen Leiter fort, so kann sie mit sich selbst interferieren, wenn der Ringumfang ein ganzzahliges Vielfaches der Elektronenwellenlänge ist. Diese Form der Energiequantisierung, ähnlich der in Atomen und Molekülen, kommt in der Natur zum Beispiel im ringförmigen Benzolmolekül vor.
Die Physiker stellten nun ein solches System zur Energiequantisierung künstlich aus Galiumarsenid her. Mit einem Raster-Kraftmikroskop oxidierten sie lokal eine Galliumarsenid-Oberfläche und stellten so eine elektrisch leitende Ringstruktur mit einem Radius von etwa hundert Nanometern her, um darin Elektronen interferieren zu lassen. Tatsächlich beobachteten sie in kleinen Magnetfeldern einen Strom durch diesen Ring, von dem etwa tausend aneinandergereiht um ein menschliches Haar passen. Die gemessenen quantisierten Energien konnten vermessen und mit bereits bestehenden Theorien verglichen werden.
Die Chips der Zukunft werden wohl so klein sein, dass der Wellencharakter der Elektronen eine wichtige Rolle spielen wird. Obwohl dieses Experiment eine Reihe von neuen Fragen aufwirft, kann man sich vorstellen, dass in solchen künstlich hergestellten Quantenringen die Welleneigenschaften der Elektronen studiert und durch Variation der Ringgröße und des Halbleitermaterials gesteuert werden können.
Informationen zur Nanotechnologie finden Sie auf einer Seite des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.
Katja Bammel
