Stromventil für Nanostrukturen

Schwankungen des elektrischen Stroms können massive Probleme beim sicheren Betrieb von Geräten wie Computern, Fern­sehern 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 Uni Hannover haben nun experi­mentell mit einer modernen Mess­­methode gezeigt, wie sich zufällige Strom­schwan­kungen beim quante­nmecha­nischen Tunneln in Einzel-Elektronen-Transis­toren kompen­sieren lassen.

„Mit der neuen Messmethode können wir das stochastische Hüpfen einzelner Elementar­ladungen durch winzige künst­liche Halb­leiter­struk­turen, den Quanten­punkten, über sehr lange Zeit ver­folgen“, sagt Tobias Brandes von der TU Berlin. Die Kern­idee der bereits vor einigen Jahren vorge­schla­genen Kontroll­methode besteht darin, die im beob­ach­teten Rausch­signal ent­haltene wert­volle Infor­mation wieder direkt in den Quanten­punkt zurück­zu­koppeln. 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 Rolf Haug von der Uni Hannover in Zusammen­arbeit mit Brandes und 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 zwölf 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“, so Brandes.

Offen bleibt noch die Frage, ob diese Art von Rück­kopp­lungs­kontrolle als Kandidat für eine mögliche Neu­defi­nition des Amperes als physi­ka­lische Einheit der Strom­stärke infrage kommt. Das Ampere ist nach wie vor die offene Flanke im metro­lo­gischen Dreieck „Spannung-Wider­stand-Strom“. Spannung und Wider­stand sind hierbei über die Josephson- oder von-Klitzing-Kon­stanten fest­gelegt, während eine ent­spre­chend genaue Defi­nition für den Strom zum Beispiel durch „Einzel­elek­tronen-Pumpen“ noch Gegen­stand der aktuellen Forschung ist.

TU Berlin / RK