Physiker aus Finnland und Italien haben ein neues Konzept zur Abkühlung einzelner Elektronen auf Temperaturen in der Umgebung des absoluten Nullpunkts vorgeschlagen. Dabei tunneln warme Elektronen eines nach dem anderen von einer kleinen Metallinsel durch einen isolierenden Spalt auf einen Supraleiter. Die Temperatur der Metallinsel wird somit erniedrigt. Die Forscher hoffen, auf diese Weise Experimente mit einzelnen Elektronen bei tiefen Temperaturen bis zu zehn Millikelvin zu ermöglichen.
Ein erstes Experiment mit einem Prototyp ist bereits erfolgreich abgeschlossen worden, so Jukka Pekola von der Technischen Universität von Helsinki. Der Nanokühlschrank bestand dabei aus einer etwa 100 Nanometer hohen und einen Mikrometer breiten Metallinsel, die durch einen dünnen Isolator von einem ebenso kleinen Supraleiter elektrisch isoliert war.
Die Forscher legten nun eine elektrische Gleichspannung an den Supraleiter und die Metallinsel an. Dies führte dazu, dass einzelne Elektronen aus der Metallinsel durch den Isolator auf die Supraleiterinsel tunneln konnten. Aufgrund der winzigen Abmessungen der beiden Inseln konnten die Elektronen den isolierenden Spalt nur eines nach dem anderen überwinden. Sobald nämlich ein Elektron auf dem Supraleiter angekommen war, übte es durch die Coulomb-Wechselwirkung eine abstoßende Kraft auf die Elektronen der Metallinsel aus. Das nächste Elektron konnte daher erst dann auf den Supraleiter tunneln, wenn das vorherige von dem Supraleiter zu der Spannungsquelle abgesaugt worden war.
Pekola zufolge führte dieses in der Fachwelt als Coulomb-Blockade bezeichnete Phänomen dazu, dass bevorzugt heiße Elektronen ? Elektronen mit einer Energie weit oberhalb der Fermi-Energie ? aus der Metallinsel eines nach dem anderen zu dem Supraleiter tunnelten. Somit kühlte sich die Metallinsel nach und nach ab.
Die Forscher wollen nun als nächstes ihr Experiment mit einer Wechselspannung durchführen, so dass der Elektronentransport in beide Richtungen stattfinden kann. Während weiterhin heiße Elektronen die Metallinsel verlassen sollten, würde der Supraleiter bevorzugt kalte Elektronen abgeben. Die Metallinsel ließe sich somit noch besser abgekühlen ? unter Umständen auf Temperaturen von bis zu zehn Millikelvin.
Ob dieser Nanokühlschrank jemals praktische Anwendungen finden wird, ist bisher noch unklar. Die Forscher zumindest haben derzeit nur Anwendungen auf dem Gebiet der physikalischen Grundlagenforschung von Quantensystemen im Sinn.
Physical Review Letters, Band 98 Artikel 037201 Stefan Maier
