Verräterisches Rauschen beim Quanten-Hall-Effekt

Forscher am Weizmann-Institut haben neutrale Ströme nachgewiesen, die beim fraktionalen Quanten-Hall-Effekt auftreten und in die „falsche“ Richtung fließen.

In der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Halbleiterschichten lassen sich Elektronen fangen, die ein quasi-zweidimensionales Elektronengas bilden. In einem starken Magnetfeld zeigt diese Elektronenschicht ein ungewöhnliches Verhalten, das man als Quanten-Hall-Effekt (QHE) bezeichnet. Der 1982 von Horst Störmer und Daniel Tsui entdeckte fraktionale QHE gibt trotz intensiver Erforschung noch immer Rätsel auf. Doch eines der Rätsel haben Forscher um Moty Heiblum vom Weizmann-Institut in Rehovot jetzt gelöst: Sie haben die seit langem gesuchten neutralen Ströme in der Elektronenschicht nachgewiesen.

Dazu haben sie eine rechteckige Halbleiterheterostruktur, die die Elektronenschicht enthielt, mit mehreren Anschlüssen versehen, um Spannungen anzulegen, Ströme zu injizieren sowie Ströme und Spannungen in der Schicht messen zu können. Außerdem befanden sich auf der Struktur zwei Elektroden, die sie in zwei Hälften teilte. Lag eine negative Spannung an beiden Elektroden, so stießen sie die negativen Ladungen in der Elektronenschicht darunter ab. Die Elektronenschicht schnürte sich ein und es entstand eine Engstelle, deren Breite sich durch die negative Spannung regulieren ließ. Die Elektronen mussten diese Engstelle passieren, um von einer Hälfte der Schicht zur anderen zu kommen. Mit Hilfe der Engstelle haben die Forscher die neutralen Ströme nachgewiesen.

Zunächst beobachteten Heiblum und seine Kollegen die typischen Anzeichen des QHE. Dazu brachten sie die Elektronenschicht bei sehr tiefer Temperatur in ein zu ihr senkrechtes Magnetfeld und legten eine Spannung längs der Schicht an. Der daraufhin fließende Strom und der Spannungsabfall entlang der Schicht wurden gemessen und daraus der Magnetowiderstand der Schicht bestimmt. Quer zur angelegten Spannung baute sich in der Schicht eine Hall-Spannung auf, die ebenfalls gemessen wurde. Aus der Hall-Spannung und der Stromstärke ergab sich der Hall-Widerstand. Wurde die Magnetfeldstärke B stetig erhöht, so nahm der Hall-Widerstand stufenweise zu. Der Magnetowiderstand hingegen verschwand immer wenn B die Mitte einer Stufe erreicht hatte.

Dieses Verhalten trat auf, wenn in der Elektronenschicht die Elektronendichte und die Dichte der vom B-Feld hervorgerufenen magnetischen Flussquanten in einem rationalen Verhältnis zueinander standen. Beim ganzzahligen QHE, den Klaus von Klitzing 1980 entdeckt hatte, kamen auf ein Flussquant mehrere Elektronen. Beim fraktionalen QHE mussten sich mehrere Flussquanten eine bestimmte Zahl von Elektronen teilen. Der widerstandslose Stromfluss rührte von solchen Elektronen her, die sich am Rand der Elektronenschicht bewegten und dies wegen der vom B-Feld erzwungenen Zyklotronbewegung jeweils nur in eine Richtung tun konnten. Daher wurden diese Elektronen nicht an Störstellen zurückgestreut, sodass sie ungehindert vorankamen.

Heiblum und seine Kollegen wählten das B-Feld so, dass das Verhältnis von Elektronen zu Flussquanten entweder 2:3 oder 3:5 oder auch 5:2 war. In diesen Fällen sollten der Theorie zufolge nicht alle Randelektronen in dieselbe Richtung laufen, sondern einige entgegengesetzt. Dieser Ladungstransport in die falsche Richtung wurde bisher nicht beobachtet. Man erklärt dies damit, dass sich die falsch laufenden Elektronen mit positiven Löchern zu neutralen Quasiteilchen zusammenschließen. Dadurch kommt ein neutraler Energiestrom zustande, der in die falsche Richtung fließt. Solche neutralen Ströme sind nur sehr schwer zu messen. Sie verursachen aber charakteristische Schwankungen der elektrischen Ströme in der Heterostruktur.

Um diese Stromschwankungen zu beobachten, haben die Forscher zwischen ausgewählten Anschlüssen der Halbleiterheterostruktur elektrische Ströme entlang der Ränder fließen lassen und sie gemessen. Die Anschlüsse waren so gewählt, dass die elektrischen Ströme die Engstelle nicht passierten, so dass die gemessene Stromstärke nicht von der Einschnürung beeinflusste wurde. Bei der Injektion eines elektrischen Stromes in einem Anschluss entstand zugleich ein neutraler Strom, der in die falsche Richtung floss. Lag der Anschluss flussabwärts von der Engstelle, so konnte der neutrale Strom sie erreichen. Seine neutralen Quasiteilchen zerbrachen dort in Elektronen und Löcher, die von der Engstelle durchgelassen oder reflektiert werden konnten. Diese zusätzlichen Ladungsträger erhöhten das elektrische Rauschen im System. Das machte sich in den Schwankungen des gemessenen elektrischen Stroms in charakteristischer Weise bemerkbar.

Das zusätzliche Rauschen trat allerdings nicht auf, wenn der elektrische Anschluss, durch den der elektrische und der neutrale Strom injiziert wurden, flussaufwärts von der Engstelle lag. In diesem Fall erreichte der neutrale Strom die Engstelle nicht. Das zusätzliche Rauschen fehlte auch für den QHE-Zustand mit dem Elektronen-Flussquanten-Verhältnis von 2:5, in dem der Theorie zufolge keine neutralen Ströme fließen.

Durch Messung des zusätzlichen Rauschens der elektrischen Ströme wollen die Forscher noch weitere verborgene Eigenschaften der fraktionalen Quanten-Hall-Zustände ans Licht bringen. Besonders interessant ist dabei der 5:2-Zustand, im dem Quasiteilchen mit Viertelelektronenladungen auftreten, wie die Forscher vor zwei Jahren beobachtet hatten. Diese Quasiteilchen sollten weder Fermionen noch Bosonen sein sondern Anyonen. Ihr kollektiver Zustand hätte ungewöhnliche topologische Eigenschaften, die ihn besonders robust gegen Dekohärenz machen, sodass er sich zum Speichern von Quantenbits eignen würde.

RAINER SCHARF

PH