Kontrollierte Kollision zweier Elektronen in einem Halbleiterchip

In nanostrukturierten Schaltungen können Elektronen sich mit hoher Geschwindigkeit auf ballistischen Flugbahnen bewegen. Die Manipulation beziehungs­weise Kontrolle einzelner Ladungs­träger stellt dabei eine große techno­logische Heraus­forderung dar. Mit einem neuen Halbleiter-Bauteil aus der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt ist es jetzt gelungen, die Flugbahnen zweier Elektronen so aufeinander abzustimmen, dass ein einzelnes Elektron selbst zur Untersuchung eines anderen dienen kann.

Auf einige Pikosekunden genau können die Einzel­elektronen­quellen auf einem Halb­leiter­chip ihre Elektronen aussenden. Stimmt man zwei solcher Quellen aufeinander ab, so lässt sich ein Elektronen­paar erzeugen, dessen Flugbahnen sich an einer klar definieren Stelle kreuzen. Dies entspricht dem Versuch, ein Projektil im Flug mit einem perfekt platzierten zweiten Schuss zu treffen – allerdings in einer nur wenige Mikrometer großen Halbleiter­schaltung mit Elektronen. Jedes Ergebnis einer Kollision wird von zwei Einzel­elektronen­detektoren mit hoher Genauigkeit erfasst.

Obwohl die Elektronen sich nur für einen sehr kurzen Moment begegnen, konnten Forscher der PTB in Zusammen­arbeit mit Wissenschaftlern der Uni Lettland und der TU Braunschweig auf diese Weise zeigen, dass einzelne ballistische Elektronen kontrolliert zu einer deutlichen Wechsel­wirkung gebracht werden können. Mögliche Anwendungen dieser auf einzelnen ballistischen Elektronen basierenden Technologie sind ultraschnelle elektronische Sensoren oder Schalter sowie die Erzeugung von quanten­mechanisch verschränkten elektronischen Zuständen als Träger von Quanten­informa­tionen in Quanten­computern. Die Ergebnisse decken sich mit denen zweier anderer unabhängiger Forscher­gruppen und eröffnen Wege für die kontrollierte Interaktion einzelner Elektronen, ein nichtlineares elektronisches Gegenstück zur Quantenoptik mit Photonen.

PTB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  N. Ubbelohde et al.: Two electrons interacting at a mesoscopic beam splitter, Nat. Nanotech., online 11. Mai 2023; DOI: 10.1038/s41565-023-01370-x
• Niedrigdimensionale Elektronensysteme, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig
• Institut für mathematische Physik, Technische Universität Braunschweig
• Faculty of Computing, Universität Lettland, Riga, Lettland