Stromventil für Nanostrukturen

Schwankungen des elektrischen Stroms können massive Probleme beim sicheren Betrieb von Geräten wie Computern, TV-Geräten oder Werkzeugmaschinen verursachen. In vielen elektronischen Bauteilen können sie durch Regelkreisläufe ausgeglichen werden. Schwierig wird es allerdings bei sehr kleinen Bauteilen, zum Beispiel in Nanostrukturen, denn hier müssen quantenmechanische Fluktuationen von einzelnen Elektronen kontrolliert werden. Forscher an der TU Berlin und der Universität Hannover haben nun experimentell mit einer modernen Messmethode gezeigt, wie sich zufällige Stromschwankungen bei quantenmechanischen Tunneln in Einzel-Elektronen-Transistoren kompensieren lassen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der „Nature Nanotechnology“.

Beteiligt an dem Experiment war die Physik-Arbeitsgruppe Computergestützte Materialphysik von Prof. Dr. Tobias Brandes. „Mit der neuen Messmethode können wir das stochastische Hüpfen einzelner Elementarladungen durch winzige künstliche Halbleiterstrukturen, den Quantenpunkten, über sehr lange Zeit verfolgen“, so Brandes. Die Kernidee der vor einigen Jahren vorgeschlagenen Kontrollmethode bestand darin, die im beobachteten Rauschsignal enthaltene wertvolle Information wieder direkt in den Quantenpunkt zurückzukoppeln (T. Brandes, Phys. Rev. Lett. 105, 060602, (2010)). Dadurch wird, ähnlich wie beim Zentrifugalregler von Dampfmaschinen, die Öffnung eines „Stromventils“ ständig adaptiert, um eine zu schnelle oder zu langsame Bewegung der Elektronen zu verhindern. Die experimentelle Arbeit zu diesem Vorschlag stand noch aus und konnte jetzt von dem Forscherteam um Prof. R. J. Haug von der Universität Hannover in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Tobias Brandes und Dr. Philipp Strasberg von der TU Berlin erfolgreich durchgeführt werden. Der theoretische Vorschlag wurde so auf beeindruckende Weise bestätigt.

Über eine Zeitspanne von einer Stunde wurden etwa 12 Millionen Elektronen-Sprünge beobachtet und die Parameter des Experiments dabei Schritt für Schritt adaptiert. „Durch die Rückkopplung konnten wir auf diese Weise die normalerweise mit der Zeit wachsenden Schwankungen gewissermaßen ‚einfrieren‘, sichtbar in der Statistik der Ladungsfluktuationen“, beschreibt Tobias Brandes.

Offen, aber nicht weniger spannend, bleibt noch die Frage: Kommt diese Art von Rückkopplungskontrolle eventuell sogar als Kandidat für eine mögliche Neudefinition des Amperes als physikalische Einheit der Stromstärke in Frage? Das Ampere ist nach wie vor die offene Flanke im so genannten metrologischen Dreieck „Spannung-Widerstand-Strom“. Spannung und Widerstand sind hierbei über die so genannten Josephson- oder von-Klitzing-Konstanten festgelegt (die auf Naturkonstanten zurückführbar sind), während eine entsprechend genaue Definition für den Strom zum Beispiel durch „Einzelelektronen-Pumpen“ noch Gegenstand der aktuellen Forschung ist.

Literatur

T. Wagner, P. Strasberg, J. C. Bayer, E. P. Rugeramigabo, T. Brandes und R. J. Haug, Strong supression of shot noise in a feedback-controlled single-electron transistor, Nature Nanotechnology 07.11.2016, doi:10.1038/nnano.2016.225