Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenphysik - Elektronisches Gedrängel im Quantenstau

29.08.2013
Quantenelektronische Schaltkreise sind durch Engstellen gekennzeichnet, an denen sich bei bestimmten Einschnürungen die Elektronen unerwartet stark stauen. Physikern gelang es nun, diese Anomalie präzise zu beschreiben.

In der modernen Elektronik werden die Bauteile immer kleiner - erst die zunehmende Miniaturisierung macht den technologischen Fortschritt möglich. Eine neue Generation noch effizienterer Bauteile könnte entstehen, wenn die quantenmechanischen Besonderheiten sehr kleiner Komponenten für die Entwicklung quantenelektronischer Schaltkreise genutzt werden könnten.

Eine herausragende Rolle spielen dabei kurze, eindimensionale Einschnürungen des Elektronentransports, sogenannte Quantenpunktkontakte. Im Unterschied zum makroskopischen Bereich ist der elektrische Leitwert von Quantenpunktkontakten quantisiert: Wird die Einschnürung des Quantenpunktkontakts stetig verengt, nimmt der Leitwert in Stufen des fundamentalen Leitwertquantums ab, bis er schließlich ganz verschwindet.

Zusätzlich wird der Leitwert eines Quantenpunktkontaktes in der letzten Leitwertstufe von einem subtilen Vielteilcheneffekt beeinflusst, der sogenannten 0.7-Anomalie: Erreicht der Leitwert etwa 0.7 des Leitwertquantums, kommt es zu einer unerwarteten und deutlichen Unterdrückung des elektrischen Leitwerts - d.h. Elektronen tun sich hier schwerer als erwartet, den Quantenpunktkontakt zu durchqueren. „Obwohl dieser Effekt aufgrund seiner großen Bedeutung für quantenelektronische Schaltkreise bereits seit etwa 15 Jahren untersucht wird, war sein mikroskopischer Ursprung bisher nicht verstanden“, sagt der LMU-Physiker PD Dr. Stefan Ludwig.

Ludwig und sein LMU-Kollege Professor Jan von Delft schafften nun gemeinsam den Durchbruch: Einem Team um die beiden Physiker, die auch Mitglieder des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich (NIM)“ sind, gelang es, durch eine geschickte Kombination von Experimenten und numerischen Rechnungen, den mikroskopischen Ursprung der 0.7-Anomalie detailliert zu erläutern.. „Der zugrunde liegende Mechanismus ist recht naheliegend: Je enger die Einschnürung des Quantenpunktkontakts ist, desto langsamer bewegen sich die Elektronen, die durchkommen“, erklären Florian Bauer und Jan Heyder, die die numerischen Rechnungen durchgeführt haben.

„Kurz bevor die Einschnürung so eng ist, dass die Elektronen gar nicht mehr hindurch kommen, stauen sie sich und behindern dadurch andere Elektronen“. Ähnliches erlebt jeder, der inmitten eines Menschenpulks versucht, eine enge Toröffnung zu durchqueren. Das elektronische Gedrängel im Quantenstau präzise zu berechnen war jedoch eine große Herausforderung und nur durch eine enge Kooperation zwischen Theorie und Experiment möglich.

In Zukunft wollen die Wissenschaftler ihre neue Beschreibung von Wechselwirkungseffekten in Quantenpunktkontakten auf kompliziertere Hybridsysteme anwenden. „Dabei interessieren uns beispielsweise Quantenpunktkontakte zwischen supraleitenden und halbleitenden Materialien, die eine Fülle von bisher unverstandenen exotischen Effekten aufweisen“, sagt von Delft.

(Nature 2013) göd

Publikation:
Microscopic Origin of the 0.7-Anomaly in Quantum Point
Contacts
Florian Bauer, Jan Heyder, Enrico Schubert, David Borowsky, Daniela Taubert, Benedikt Bruognolo, Dieter Schuh, Werner Wegscheider, Jan von Delft, Stefan Ludwig
Nature 2013
DOI: 10.1038/nature12421
Kontakt:
Stefan Ludwig
Tel.: +49 (0)89 2180 1457 ;
Fax.: +49 (0)89 2180 3182
E-Mail: ludwig@lmu.de
Jan von Delft
Tel.: +49 (0)89 2180 4528
Fax.: +49 (0)89 2180 4155
E-Mail: vondelft@lmu.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie
06.12.2016 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Neue Perspektiven durch gespiegelte Systeme
05.12.2016 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Innovationen für eine nachhaltige Forstwirtschaft

06.12.2016 | Agrar- Forstwissenschaften

Diabetesforschung: Neuer Mechanismus zur Regulation des Insulin-Stoffwechsels gefunden

06.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Was nach der Befruchtung im Zellkern passiert

06.12.2016 | Biowissenschaften Chemie