Was wäre, wenn der elektrische Strom nicht mehr fließen, sondern vielmehr rieseln würde? Dieser Frage gingen Forscher um Christian Ast am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung Stuttgart in Kollaboration mit Joachim Ankerhold von der Universität Ulm nach, wie kürzlich in Nature Communications berichtet. Dazu kühlten sie ihr Rastertunnelmikroskop bis auf fünfzehn tausendstel Grad nahe dem absoluten Nullpunkt ab. Bei diesen extrem tiefen Temperaturen offenbaren die Elektronen ihre Quantennatur.
Der elektrische Strom ist also ein granulares Medium, bestehend aus einzelnen Teilchen. Die Elektronen rieseln wie Sandkörnchen durch eine Sanduhr, was sich mithilfe der Quantenelektrodynamik erklären lässt. Fließendes Wasser aus einem Wasserhahn fühlt sich an wie ein homogenes Medium, man kann die einzelnen Wassermoleküle nicht auseinanderhalten. Genauso verhält es sich mit elektrischem Strom. In einem gewöhnlichen Kabel fließen so viele Elektronen, dass sie homogen wirken. Einzelne Elektronen lassen sich nicht unterscheiden, dennoch sollten sie aus quantenmechanischer Sicht existieren. Wie also verhalten sie sich? Unter welchen Bedingungen fließt der Strom nicht wie Wasser durch einen Wasserhahn, sondern rieselt eher wie Sand durch eine Sanduhr?
Die Sanduhr-Analogie passt sehr gut zum Rastertunnelmikroskop, bei dem eine dünne, spitze Nadel über die Oberfläche einer Probe gerastert wird, ohne die Probe zu berühren. Trotzdem fließt ein kleiner Strom, da es eine geringe Wahrscheinlichkeit gibt, dass Elektronen von der Nadelspitze in die Probe "tunneln". Dieser Tunnelstrom hängt exponentiell von diesem Abstand ab, weshalb die Nadelspitze nur einige Ångström (zehnmillionstel Millimeter) über der Probe sitzt. Kleinste Variationen des Tunnelstroms erlauben es damit, einzelne Atome und atomare Strukturen auf Oberflächen aufzulösen und deren elektronische Struktur zu untersuchen. Rastertunnelmikroskope gehören daher zu den vielseitigsten und sensitivsten Detektoren der Festkörperphysik überhaupt.
Selbst unter diesen extremen Bedingungen - einem winzigen Strom von weniger als einem milliardstel des Stroms, den eine 100-Watt-Glühbirne leitet - fließen immer noch Milliarden Elektronen pro Sekunde. Das sind zu viele, um einzelne Elektronen zu unterscheiden. Erst bei etwa einem fünfzehn tausendstel Grad nahe dem absoluten Nullpunkt (also bei minus 273,135 Grad, beziehungsweise 15 mK) sahen die Wissenschaftler, dass der elektrische Strom aus einzelnen Elektronen zusammengesetzt ist.
"Es ist schön zu sehen, wie gut Theorie und Experiment zusammenpassen"
Bei dieser tiefen Temperatur zeigen sich feinste Strukturen im Spektrum, welche die Forscher nicht erwartet hatten. "Wir konnten diese neuen Strukturen erst dadurch erklären, dass wir annehmen, der Tunnelstrom ist ein granulares Medium und nicht mehr homogen," sagt Ast, der die Gruppe um das Rastertunnelmikroskop leitet. Damit zeigte sich im Experiment erstmals die volle Quantennatur des elektronischen Transports im Rastertunnelmikroskop. Dieses quantenmechanische Phänomen bedarf zu seinem vollen Verständnis also auch der Quantisierung der elektrischen Ladung. "Die zugrundeliegende Theorie ist schon Anfang der 1990er-Jahre entwickelt worden. Nach der Lösung konzeptioneller und praktischer Fragen ihrer Anwendung für Rastertunnelmikroskope ist es nun schön zu sehen, wie konsistent Theorie und Experiment zusammenpassen", sagt Joachim Ankerhold von der Universität Ulm, der die theoretischen Grundlagen beisteuerte.
Neben einer ausgefeilten Theorie erfordern Experimente dieser Art auch eine angepasste Laborumgebung, die äußere Störeinflüsse weitgehend reduziert. Seit Ende 2012 ist auf dem Campus der Max-Planck-Institute in Stuttgart ein neues Präzisionslabor in Betrieb, welches für hochempfindliche Experimente, wie das mK-Rastertunnelmikroskop, eine nahezu störungsfreie Laborumgebung anbietet. Das Rastertunnelmikroskop steht im Präzisionslabor in einer akustisch und elektromagnetisch abgeschirmten Box auf einem vibrationsentkoppelten Betonfundament. "Damit wollen wir in neue, unbekannte Bereiche vorstoßen - was uns mit diesem Experiment sehr gut gelungen ist", sagt Klaus Kern, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung.
Elektronen haben schon früher ihre Quantennatur gezeigt. Beim Transport durch Quantenpunkte etwa wird der Stromfluss gezielt so blockiert, dass die Elektronen einzeln zum Vorschein treten. Dieser Effekt hat sich im Rastertunnelmikroskop jedoch allein durch das Abkühlen auf extrem tiefe Temperaturen offenbart. "Der Tunneleffekt ist hier definitiv am Quantenlimit angelangt", sagt Teammitglied Berthold Jäck. Das wollen die Forscher allerdings nicht als Einschränkung verstanden wissen. "Diese extrem tiefen Temperaturen eröffnen ein ungeahntes Detailreichtum, was uns etwa erlaubt, Supraleitung und Licht-Materie-Wechselwirkungen viel besser zu verstehen", sagt Christian Ast.
Verfasser: Dr. Christian Ast (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart) und Roland Bednarz (Abteilung Kommunikation, Max-Planck-Gesellschaft - G)
Originalveröffentlichung
Christian R. Ast, Berthold Jäck, Jacob Senkpiel, Matthias Eltschka, Markus Etzkorn, Joachim Ankerhold und Klaus Kern: Sensing the quantum limit in scanning tunnelling spectroscopy; in: Nature Communications 7, 13009 (2016);
Informationen zum IQST:
Im Zentrum Integrated Quantum Science and Technology (IQST), einem deutschlandweit einmaligen Zusammenschluss dieser Art, sind Forschungsaktivitäten zur Quantentechnologie gebündelt. Dabei überschreiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Ulm und Stuttgart sowie des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung immer öfter die Grenzen der Physik: In Forschungsvorhaben von IQST arbeiten beispielsweise Physiker, Chemiker, Mathematiker sowie Ingenieure eng zusammen, um exzellente Forschungsergebnisse in technische Anwendungen zu überführen. Diese reichen vom extrem schnellen Quantencomputer der Zukunft über den abhörsicheren Datentransfer bis zu hochleistungsfähigen Sensoren oder verlustarmer Energietechnik.