Quantenphysik

Elektronen finden immer einen (Quanten-)Weg

Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institute und des Departements Physik der Universität Basel haben erstmals nachgewiesen, wie Elektronen von einem Supraleiter durch einen Quantenpunkt in ein normalleitendes Metall transportiert werden.

Erstmals im Experiment nachgewiesen: Transportprozess von Elektronen aus einem Supraleiter (S) durch einen Quantenpunkt in einen Normalleiter (N). (Illustration: Universität Basel, Departement Physik)

Dieser Transportprozess durch einen Quantenpunkt wurde bereits in den Neunzigerjahren theoretisch berechnet, doch erst jetzt ist es den Wissenschaftlern der Universität Basel gelungen, die Theorie mit Messungen zu belegen. Das berichten sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

Transporteigenschaften wie etwa die elektrische Leitfähigkeit spielen für die technische Anwendung von neuartigen Materialien und elektronischen Bauteilen eine wichtige Rolle. Völlig neue Phänomene treten auf, wenn man zum Beispiel einen Supraleiter und nanometergroße Strukturen, sogenannte Quantenpunkte, in einem Bauteil kombiniert.

Forscher der Universität Basel um Professor Christian Schönenberger haben nun einen solchen Quantenpunkt zwischen einem Supraleiter und einem normalleitenden Metall konstruiert, um den Transport von Elektronen zwischen den beiden Komponenten zu untersuchen.

Eigentlich sollte es unmöglich sein, bei kleinen Energien Elektronen vom Supraleiter durch den Quantenpunkt zu transportieren. Zum einen kommen Elektronen in einem Supraleiter nicht einzeln, sondern immer nur zu zweit als sogenannte Cooper-Paare vor, die sich nur durch relativ große Energien trennen lassen. Zum anderen ist der Quantenpunkt so klein, dass wegen der elektrischen Abstoßung zwischen den Elektronen nur ein Teilchen auf einmal transportiert wird.

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Wissenschaftler stellten aber in der Vergangenheit wiederholt fest, dass trotzdem Strom zwischen dem Supraleiter und dem Metall fließt – es also doch zu einem Elektronentransport durch den Quantenpunkt kommt.

Erster Nachweis des Transportmechanismus durch einen Quantenpunkt
In den Neunzigerjahren wurden auf der Grundlage der Quantenmechanik Theorien entwickelt, die zeigen, dass der Transport von Cooper-Paaren durch einen Quantenpunkt unter bestimmten Bedingungen durchaus möglich ist. Voraussetzung dafür ist, dass das zweite Elektron dem ersten sehr schnell folgt, nämlich innerhalb der Zeit, die in etwa durch die Heisenbergsche Unschärferelation gegeben ist.

Die Wissenschaftler der Universität Basel konnten nun genau dieses Phänomen messen. In ihren Experimenten fanden die Wissenschaftler exakt dieselben diskreten Linien, die theoretisch berechnet wurden. Das Team mit dem Doktoranden Jörg Gramich und seinem Betreuer Dr. Andreas Baumgartner konnte zudem nachweisen, dass der Prozess auch funktioniert, wenn Energie an die Umgebung abgegeben, oder von dort aufgenommen wird.

„Unsere Ergebnisse tragen dazu bei, die Transporteigenschaften von supraleitenden elektronischen Nanostrukturen besser zu verstehen, die für Anwendungen in der Quantentechnologie von großem Interesse sind“, so Dr. Andreas Baumgartner.

Originalbeitrag:
J. Gramich, A. Baumgartner, and C. Schönenberger: Resonant and inelastic Andreev tunneling observed on a carbon nanotube quantum dot. Physical Review Letters 115, DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.216801.

Weitere Auskünfte:
Dr. Andreas Baumgartner
Universität Basel, Departement Physik
E-Mail: andreas.baumgartner@unibas.ch

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