Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wo Elektronen im Stau stehen

08.08.2011
Der dünnste Draht der Welt, hergestellt aus purem Gold, wird von Physikern der Universitäten Würzburg und Kassel untersucht. Für Aufsehen sorgt jetzt seine ungewöhnliche elektrische Leitfähigkeit: Die Elektronen bewegen sich nicht frei durch den Draht, sondern wie Autos im Stop-and-Go-Verkehr. Das berichten die Forscher aktuell in "Nature Physics"

Im Normalfall wandern Elektronen, die Träger der elektrischen Ladung, kreuz und quer durch Metalle oder andere elektrisch leitende Materialien. Aber das ändert sich, wenn man die Leiter immer kleiner macht.


In Nanodrähten aus Goldatomen können sich Elektronen nur in sehr engen Bahnen bewegen, so dass es zum Stau kommt. Veranschaulicht ist das hier durch den rot eingefärbten Draht. Rechts oben ist die Spitze eines Rastertunnelmikroskops dargestellt, mit dem Physiker die elektronischen Eigenschaften der Nanodrähte messen. Bild: Christian Blumenstein


Atomarer Baukasten: Aus einzelnen Goldatomen formen sich automatisch Nanodrähte (links), die sich dann gezielt mit Brücken verbinden oder absichtlich stören lassen – zum Beispiel durch den Einbau anderer Atomsorten oder das Entfernen einzelner Goldatome aus den Ketten. Bild: Christian Blumenstein

Die Würzburger Physiker am Lehrstuhl von Professor Ralph Claessen haben die Miniaturisierung auf die Spitze getrieben: Ihre Nanodrähte bestehen aus einzelnen Goldatomen, die kettenförmig angeordnet sind – kleiner geht es nicht. In Kooperation mit Professor René Matzdorf an der Universität Kassel und Luc Patthey am Paul-Scherrer-Institut nahe Zürich wurden jetzt die elektrischen Eigenschaften der Nanodrähte untersucht.

In den Nanodrähten sind die Elektronen so eingeengt, dass sie sich nur in eine Richtung bewegen können, nämlich entlang der Drähte. Und selbst dieses bisschen Freiheit können sie nicht voll ausnutzen. Sie kommen nur im Stop-and-Go-Verkehr voran – ähnlich wie im Stau auf der Autobahn, wenn den Fahrzeugen nur eine Spur zur Verfügung steht: Erst wenn ein Auto in der Schlange ein Stück fährt, kommen auch die anderen voran. „Genau so sind die Bewegungen der Elektronen in einem Nanodraht korreliert“, sagt Matzdorf. „Dabei können sie nur ausgewählte Energien annehmen, was sich in der elektrischen Leitfähigkeit widerspiegelt und von uns im Experiment genau vermessen wurde.“

Publikation in „Nature Physics“

Den Elektronenstau hat Claessens Team in Kooperation mit den Kollegen aus Kassel und dem Paul-Scherrer-Institut nun experimentell nachgewiesen. Den Wissenschaftlern gelang das mit hoch empfindlichen Messmethoden, der Rastertunnelmikroskopie und der Photoemission. Damit konnten sie die ungewöhnlichen Zustände der Elektronen direkt abprüfen. Ihre Ergebnisse sind in „Nature Physics“ publiziert.

Warum eine Top-Zeitschrift über dieses Forschungsergebnis berichtet? „Weil wir in den Atomketten bisher nicht gekannte Möglichkeiten haben, die Eigenschaften einer eindimensionalen Quantenflüssigkeit auszumessen“, sagt Claessen. Von einer Quantenflüssigkeit sprechen Physiker, wenn die Elektronen in solch engen Bahnen eingesperrt sind. Die Eigenschaften dieser „Flüssigkeit“ haben Theoretiker schon in den 1960er-Jahren vorhergesagt. In Experimenten tatsächlich auch beobachtet wurden bislang aber nur wenige davon.

Nanodrähte als Basis des Erfolgs

Es hat Jahrzehnte gedauert, diese besonderen Elektronenzustände experimentell in atomaren Nanostrukturen zu erzeugen. „Das liegt vor allem daran, dass die bisher hergestellten Nanodrähte zu nah beieinander lagen und sich gegenseitig beeinflusst haben, so dass keine Quantenflüssigkeit entstehen konnte“, erklärt Claessens Mitarbeiter Jörg Schäfer.

Dieses Problem haben die Würzburger Physiker vor gut zwei Jahren behoben: In einem ausgeklügelten Verfahren dampfen sie Goldatome so auf Germanium-Plättchen auf, dass die Atome sich von ganz alleine zu geradlinigen, parallel verlaufenden Ketten anordnen, die weit genug voneinander entfernt sind.

Nächste Schritte in der Forschung

Die Nanodrähte wollen die Physiker jetzt als atomaren Baukasten nutzen. Sie denken zum Beispiel daran, zwischen den Drähten Kontakte aus einzelnen Atomen oder Molekülen einzubauen, was winzigen atomaren Schaltelementen entsprechen würde. So wollen sie auf dieser kleinstmöglichen Ebene weiteren elektronischen Phänomenen nachspüren. Ihre Erkenntnisse dürften für die rasch fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen, etwa für Computer, sehr wertvoll sein.

„Atomically controlled quantum chains hosting a Tomonaga-Luttinger liquid”, C. Blumenstein, J. Schäfer, S. Mietke, S. Meyer, A. Dollinger, M. Lochner, X. Y. Cui, L. Patthey, R. Matzdorf, R. Claessen, Nature Physics, Advanced Online Publication 7. August 2011, DOI: 10.1038/nphys2051

Kontakt

Prof. Dr. Ralph Claessen, Physikalisches Institut der Universität Würzburg, T (0931) 31-85732, claessen@physik.uni-wuerzburg.de

Privatdozent Dr. Jörg Schäfer, Physikalisches Institut der Universität Würzburg, T (0931) 31-83483, joerg.schaefer@physik.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. René Matzdorf, Institut für Physik der Universität Kassel, T (0561) 804-4772, matzdorf@physik.uni-kassel.de

Robert Emmerich | Uni Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wie zerfallen kleinste Bleiteilchen?
23.04.2018 | Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald

nachricht Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala
20.04.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Metalle verbinden ohne Schweißen

23.04.2018 | HANNOVER MESSE

Revolutionär: Ein Algensaft deckt täglichen Vitamin-B12-Bedarf

23.04.2018 | Medizin Gesundheit

Wie zerfallen kleinste Bleiteilchen?

23.04.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics