Persistente Ströme in Metallringen gemessen

Die von Magnetfeldern hervorgerufenen Kreisströme in mesoskopischen Metallringen wurden jetzt mit bisher unerreichter Präzision gemessen. Damit konnten Theorie und Experiment nach jahrzehntelangen Bemühungen in Einklang gebracht werden.

Nicht nur in Supraleitern können elektrische Ströme „ewig“ fließen. Bei tiefen Temperaturen treten persistente Ströme auch in mikrometergroßen normalleitenden Metallringen auf, durch die ein magnetischer Fluss geht. Da die Elektronen bei ihrer Bewegung im Metallring nicht ihre quantenmechanische Phasenkohärenz verlieren, erzwingt der magnetische Fluss einen andauernden Strom. Solche Ströme sind immerhin ca. 1 nA groß aber dennoch extrem schwer zu bestimmen, da sie bei einer direkten Messung z. B. mit einem Amperemeter sofort verschwinden würden. Das hat einen zufriedenstellenden Vergleich zwischen Theorie und Experiment bisher verhindert. Doch jetzt konnten Forscher der Yale University mit neuartigen Messungen die Vorhersagen der Theorie bestätigen.

Abb.: Mit schwingenden Balken, auf deren freiem Ende bis zu 1680 Aluminiumringen sitzen, können persistente Ströme mit unerreichter Präzision gemessen werden. (Bild: A. C. Bleszynski-Jayich et al., Science)

Schon 1991 hatte man bei IBM in Yorktown Heights die Magnetisierung von einzelnen mikrometergroßen Aluminiumringen gemessen, durch die ein magnetischer Fluss ging. Wurde der Fluss durch den Ring stetig erhöht, so oszillierte die Magnetisierung mit einer Periode, die einem Flussquant h/e entsprach. Offenbar floss im Ring ein persistenter Strom, der in derselben Weise periodisch vom Magnetfluss abhing. Während dies im Einklang mit der Theorie stand, ergab sich aus den Messungen eine viel zu große Stromstärke. Neuere Messungen an der Stanford University, die mit einem SQUID-Mikroskop an Goldringen durchgeführt worden waren, konnten die Diskrepanz verringern.

Nun haben Forscher um Jack Harris von der Yale University ein völlig neues Messverfahren für die Magnetfelder von persistenten Strömen entwickelt, das etwa 100 Mal genauer ist als die bisher benutzten Verfahren. Dazu wurden bis zu 1680 identische, mikrometergroße Aluminiumringe lithographisch auf dem Ende eines Mikrobalkens aus Silizium angebracht. Der auf unter 1 K gekühlte Balken wurde piezoelektrisch in Schwingung versetzt und seine Schwingungsfrequenz wurde mit großer Präzision optisch gemessen. Zudem war der Balken einem starken Magnetfeld ausgesetzt, das parallel zur Ruhestellung des Balkens gerichtet war und sicherstellte, dass die Aluminiumringe nicht supraleitend wurden.

Das Magnetfeld hatte auf den schwingenden Balken eine merkliche Wirkung. Sobald der Balken von der Ruhestellung abwich, trat eine Magnetfeldkomponente senkrecht durch die Aluminiumringe und rief einen persistenten Strom hervor. Die daraus resultierenden magnetischen Momente der Ringe waren nun der Horizontalkomponente des Magnetfeldes ausgesetzt. Deshalb übten die magnetischen Momente der Ringe ein Drehmoment auf den Balken aus, dessen Schwingungsfrequenz sich daraufhin veränderte. Aus der gemessenen Frequenzänderung ließ sich die Größe der magnetischen Momente ermitteln.

Auf diese Weise konnten die Forscher sowohl die Stärke der persistenten Ströme als auch ihre periodische Abhängigkeit vom magnetischen Fluss mit unerreichter Genauigkeit bestimmen. So konnten sie bei Erhöhung des Magnetfeldes um 5,5 T bis zu 450 Perioden auflösen, wobei die Periodenlänge erwartungsgemäß einem magnetischen Flussquant entsprach. Die persistenten Ströme waren umso schwächer, je größer die Ringe und je höher ihre Temperatur war. Dabei konnten die Forscher noch persistente Ströme von weniger als 1 pA messen. Ihre Ergebnisse stehen in gutem Einklang mit den Vorhersagen der Theorie.

RAINER SCHARF

• Gruppe von Jack Harris an der Yale University:
  http://www.yale.edu/harrislab/index.htm
   
• Gruppe von Felix von Oppen an der FU Berlin:
  http://www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag/ag-von-oppen/index.html

 KP