Ganz gleich, ob bei einem Stromkabel oder einer Datenleitung: In Metalldrähten werden Energie und Signale über die Bewegung von Elektronen transportiert. Bei der Wanderung verlieren die geladenen Teilchen über Stöße und Reibung an Energie, was besonders bei der heißen, leuchtenden Wolfram-Wendel einer Glühbirne deutlich wird. In Hinblick auf die atomdünnen Nanodrähte der Zukunft untersuchten nun spanische Physiker der Universidad Autónoma de Madrid die Bewegung der Elektronen durch eine Kette von bis zu sieben Goldatomen. Dabei entdeckten sie, dass unterhalb einer bestimmten Spannung überhaupt keine Leitungsverluste mehr auftreten.
Der Grund liegt im quantenmechanischen Verhalten der Elektronen in den Nanodrähten, das die Forscher im Fachblatt “Physical Review Letters” (Vol. 88, Art.Nr. 216803) beschreiben. Bei Spannungen knapp über Null leiten die Elektronen den Strom widerstandsfrei. Bei Spannungen über zehn Millivolt allerdings sinkt die Leitfähigkeit auf minimale Werte. Verantwortlich ist die Wechselwirkung der Elektronen mit den Goldatomen. Erst bei Werten über zehn Millivolt haben die Elektronen ausreichend Energie, um die Atomkette zu winzigen Schwingungen, der Physiker spricht hier von Phononen, anzuregen. Bleiben die Energiewerte darunter, haben die Elektronen keine Chance, ihre Energie in Form von Schwingungen an die Goldatome abzugeben.
Obwohl es sich bei diesem Experiment um reine Grundlagenforschung bei tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius handelt, könnte dieses Quantenphänomen Auswirkungen auf die Nanoelektronik der Zukunft haben. Je nach Länge und Reinheit des metallischen Nanodrahtes wäre eine verlustfreie Leitung von Daten möglich. Für die verlustfreie Stromleitung dagegen werden diese winzigen Drähte auch in Zukunft keine Rolle spielen. Doch hier bleibt den Ingenieuren der Effekt der Supraleitung.
Jan Oliver Löfken
