Wie Cooper-Paare durchs Nadelöhr kommen

Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institute und des Departements Physik der Uni Basel haben erstmals nachge­wiesen, wie Elektronen von einem Supra­leiter durch einen Quantenpunkt in ein normal­leitendes Metall trans­portiert werden. Dieser Transport­prozess durch einen Quantenpunkt wurde bereits in den Neunziger­jahren theore­tisch berechnet, doch erst jetzt ist es gelungen, die Theorie mit Messungen zu belegen.

Transporteigenschaften wie etwa die elektrische Leitfähig­keit spielen für die technische Anwendung von neuartigen Materi­alien und elektro­nischen Bauteilen eine wichtige Rolle. Völlig neue Phänomene treten auf, wenn man zum Beispiel einen Supraleiter und Quanten­punkte in einem Bauteil kombiniert. Baseler Forscher um Christian Schönen­berger haben nun einen solchen Quanten­punkt zwischen einem Supra­leiter und einem normalleitenden Metall gesetzt, um den Transport von Elektronen zwischen den beiden Komponenten zu untersuchen.

Eigentlich sollte es unmöglich sein, bei kleinen Energien Elektronen vom Supra­leiter durch den Quanten­punkt zu transpor­tieren. Zum einen kommen Elektronen in einem Supraleiter immer nur als Cooper-Paare vor, die sich nur durch relativ große Energien trennen lassen. Zum anderen ist der Quantenpunkt so klein, dass wegen der elektrischen Abstoßung zwischen den Elektronen nur ein Teilchen auf einmal transportiert wird. Wie Wissen­schaftler aber in der Vergang­enheit wieder­holt feststellten, fließt trotzdem Strom zwischen dem Supra­leiter und dem Metall – es kommt also doch zu einem Elektronen­transport durch den Quantenpunkt.

In den Neunzigerjahren wurden auf der Grundlage der Quanten­mechanik Theorien entwickelt, nach denen der Transport von Cooper-Paaren durch einen Quanten­punkt unter bestimmten Bedingungen durchaus möglich ist. Voraus­gesetzt, das zweite Elektron folgt dem ersten sehr schnell, nämlich inner­halb der Zeit, die in etwa durch die Heisen­berg­sche Unschärfe­relation gegeben ist.

Die Wissenschaftler aus Basel konnten nun genau dieses Phänomen messen. In ihren Experimenten fanden sie exakt dieselben diskreten Linien, die sich theore­tisch ergeben. Das Team mit dem Dokto­randen Jörg Gramich und seinem Betreuer Andreas Baum­gartner konnte zudem nachweisen, dass der Prozess auch funktio­niert, wenn Energie an die Umgebung abgegeben, oder von dort aufge­nommen wird. „Unsere Ergebnisse tragen dazu bei, die Trans­port­eigen­schaften von supra­leitenden elektro­nischen Nano­strukturen besser zu verstehen, die für Anwendungen in der Quanten­techno­logie von großem Interesse sind“, so Baumgartner.

U. Basel / OD