Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Wasserwellen im Halbleiter: Forscher klären grundsätzliches Phänomen der elektrischen Leitung

29.08.2013
„Nature“: Quantenmechanische Interferenz führt zur „0,7-Anomalie“

Ein internationales Forscherteam hat ein seit Langem beobachtetes, aber unverstanden gebliebenes Phänomen der elektrischen Leitung erklärt. Genau wie Licht kommt auch die elektrische Leitfähigkeit in Quanten vor. Verdrängt man das letzte Leitfähigkeitsquant aus einem Halbleiter, sinkt die Leitfähigkeit dennoch nicht direkt auf null.

Zuvor kommt es zu quantenmechanischer Interferenz, berichtet das Team, an dem Physiker der Ruhr-Universität Bochum um Prof. Dr. Andreas Wieck beteiligt waren, in der Fachzeitschrift „Nature“. „Das Ergebnis erklärt den Transport von Elektronen in Feststoffen grundlegend – ob in der Hochstromleitung im Kraftwerk oder der Speicherzelle im PC“, sagt Wieck.

Widerstand und Leitfähigkeit kommen in Quanten vor

„Seit 25 Jahren wissen wir, dass sich der elektrische Widerstand nicht beliebig fein einstellen lässt“, sagt Andreas Wieck vom Lehrstuhl Angewandte Festkörperphysik. „Das zeigt sich zum Beispiel daran, dass wir den Lautstärkeregler am Radio im Prinzip nur in bestimmten – allerdings sehr, sehr feinen – Schritten einstellen können, aber nicht beliebig genau.“ In anderen Worten: Der elektrische Widerstand (R) wird von Quanten bestimmt, also wohl definierten Paketen. Den Kehrwert des elektrischen Widerstands (1/R) bezeichnet man als elektrische Leitfähigkeit. Diese Leitfähigkeit nimmt nur Werte an, die ein ganzzahliges Vielfaches von 2e2/h sind, wobei „e“ für die Elektronenladung steht und „h“ für das Plancksche Wirkungsquantum.

Die 0,7-Anomalie der elektrischen Leitfähigkeit

Alle elektrischen Leiter sind aus Vielfachen und Kombinationen dieses Leitfähigkeitsquants 2e2/h zusammengesetzt. Mit der modernen Nanotechnologie können Forscher in Halbleitern relativ leicht Bereiche erzeugen, die nur wenige Hundert Nanometer lang und breit sind und in die nur ein einzelnes Leitfähigkeitsquant „hineinpasst“. Durch solche Versuche lässt sich der Wert von 2e2/h messen. Wissenschaftler untersuchten auch, was passiert, wenn sie das letzte Leitfähigkeitsquant aus dem Halbleiter verdrängen. Die Annahme: Die Leitfähigkeit sinkt sofort auf null, der elektrische Widerstand des Halbleiters wird unendlich. Die Messungen ergaben hingegen: Bevor die Leitfähigkeit auf null geht, nimmt sie noch einmal 70 Prozent ihres Ausgangswertes 2e2/h an. Für dieses Phänomen, die sogenannte 0,7-Anomalie, gab es bis heute keine Erklärung.

Grundlage der Anomalie entschlüsselt

Das Team aus niederländischen, spanischen, israelischen und deutschen Physikern hat das Rätsel nun gelöst – mit neuen Messungen an Halbleitern, die die Wissenschaftler vom RUB-Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik herstellten. Die Gruppe zeigte, dass es sich bei der 0,7-Anomalie um quantenmechanische Interferenz handelt. „Das muss man sich ähnlich wie Wasserwellen vorstellen“, erklärt Professor Wieck. „Wirft man zwei Steine in einen stillen See, überlagern sich die Wasserwellen der beiden. Dabei verstärken sie sich an bestimmten Orten und löschen sich an dazwischen liegenden Orten aus.“ Die Forscher maßen den Widerstand in dem dünnen Halbleiter, und zwar an Engstellen verschiedener kontinuierlich einstellbarer Längen. Dabei beobachteten sie eine periodische Änderung des Auftretens der 0,7-Anomalie. Theoretische Berechnungen des Teams zeigten, dass dieses Phänomen der Kern der 0,7-Anomalie ist. Diese periodischen Änderungen postulierte Jacques Friedel bereits in den 1960er-Jahren; sie erhielten den Namen „Friedel-Oszillationen.“

Titelaufnahme

M.J. Iqbal, R. Levy, E.J. Koop, J.B. Dekker, J.P. de Jong, J.H.M. van der Velde, D. Reuter, A.D. Wieck, R. Aguado, Y. Meir, C.H. van der Wal (2013): Odd and even Kondo effects from emergent localization in quantum point contacts, Nature, DOI: 10.1038/nature12491

Weitere Informationen

Prof. Dr. Andreas Wieck, Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik, Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-26726, E-Mail: andreas.wieck@rub.de

Redaktion: Dr. Julia Weiler

Jens Wylkop | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor...

Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Poseidon goes Politics – Wer oder was regiert die Ozeane?

27.02.2017 | Veranstaltungen

Fachtagung Rapid Prototyping 2017 – Innovationen in Entwicklung und Produktion

27.02.2017 | Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Herz-Untersuchung: Kontrastmittel sparen mit dem Mini-Teilchenbeschleuniger

27.02.2017 | Medizintechnik

Neue Maßstäbe für eine bessere Wasserqualität in Europa

27.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wenn der Schmerz keine Worte findet - Künstliche Intelligenz zur automatisierten Schmerzerkennung

27.02.2017 | Medizintechnik