Elektronen im Kreisverkehr

Magnetfelder beeinflussen die Phasenverschiebung von Elektronen.

Wenn Elektronen um ein Hindernis herumströmen, können sie sich dahinter beim Zusammenfließen addieren oder auslöschen. Wenn nun das Hindernis ein Magnetfeld beinhaltet, werden die Wellen der Elektronen (genauer ihre "Phasen") verschoben und aus Verstärkung kann Auslöschung werden oder umgekehrt. Das nennt man den seit Jahren bekannten "Aharonov-Bohm-Effekt". Dass auch seitlich des Hindernisses liegende Magnetfelder einen Einfluss ausüben, hat ein Physikerteam aus Holland, Deutschland und Italien jetzt entdeckt.

Das internationale Physikerteam beschreibt erstmals, dass nicht nur wie beim Aharonov-Bohm-Effekt das von den Elektronen umrundete Magnetfeld zählt, sondern zusätzlich das Magnetfeld, das durch die Fläche der Elektronenbahnen selbst hindurchtritt. "Es ist wie beim Kreisverkehr", illustriert es Andreas Wieck von der Angewandten Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum (RUB): "Bislang gingen wir davon aus, dass nur die kreisförmige Grünfläche in der Mitte relevant ist. Jetzt wissen wir aber, dass auch die Straßenbreite, bzw. die Fläche der Straße, eine wichtige Rolle spielt." Dadurch, dass Elektronen im Magnetfeld - genau wie Autofahrer - dazu neigen, sich am linken oder rechten Straßenrand "entlangzuhangeln", gibt es so genannte Randströme, die die mittlere Fläche der Straße einrahmen. "Wahrscheinlich spielt das eine wichtige Rolle für die Erklärung des Effektes", schätzt Wieck. Eine perfekte Theorie gibt es dafür allerdings noch nicht.

Die Entdeckung gelang aufgrund spezieller Aluminium-Gallium-Arsenid-Halbleiter, die in Bochum im Ultrahochvakuum durch die so genannte Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wurden. Die Kristalle können in dieser Qualität nur an wenigen Orten der Welt erzeugt werden. Mittels Rasterkraftmikroskopie versahen die Forscher die Halbleiter dann mit Barrieren, die den Elektronenfluss kreisverkehrsförmig einengten. Dabei liegen die steuernden Kontakte, sog. In-Plane-Gates, in derselben Ebene wie der Elektronen-Kreisverkehr. Dies ist eine Entwicklung Wiecks, die schon in den verschiedensten Halbleitersystemen eingesetzt wird.

Ruhr-Universität Bochum

AL