Wissenschaftler der Universität Basel in der Schweiz haben erstmals gezeigt, wie Elektronen von einem Supraleiter durch einen Quantenpunkt in ein Metall mit normaler Leitfähigkeit transportiert werden. Dieser Transportvorgang durch einen Quantenpunkt wurde bereits in den Neunzigerjahren theoretisch berechnet, nun ist es Wissenschaftlern der Universität Basel gelungen, die Theorie mit Messungen zu beweisen. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der Fachzeitschrift Physical Review Letters .
Transporteigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit spielen bei technischen Anwendungen neuer Materialien und elektronischer Komponenten eine wichtige Rolle. Völlig neue Phänomene entstehen beispielsweise, wenn man einen Supraleiter und nanometergroße Strukturen, sogenannte Quantenpunkte, in einem Bauteil kombiniert.
Forscher der Universität Basel um Professor Christian Schönenberger haben nun einen solchen Quantenpunkt zwischen einem Supraleiter und einem Metall mit normaler Leitfähigkeit konstruiert, um den Elektronentransport zwischen den beiden Komponenten zu untersuchen.
Eigentlich dürfte es unmöglich sein, bei niedrigen Energien Elektronen aus dem Supraleiter durch einen Quantenpunkt zu transportieren. Erstens kommen Elektronen in einem Supraleiter nie einzeln vor, sondern immer zu zweit oder in sogenannten Cooper-Paaren, die nur durch relativ große Energiemengen voneinander getrennt sein können. Zweitens ist der Quantenpunkt so klein, dass aufgrund der Abstoßungskraft zwischen den Elektronen jeweils nur ein Teilchen transportiert wird.
Allerdings haben Wissenschaftler in der Vergangenheit immer wieder beobachtet, dass zwischen dem Supraleiter und dem Metall dennoch ein Strom fließt – es also tatsächlich zu einem Elektronentransport durch den Quantenpunkt kommt.
Erster Nachweis des Transportmechanismus durch einen Quantenpunkt
Auf der Grundlage der Quantenmechanik wurden in den neunziger Jahren Theorien entwickelt, die darauf hinwiesen, dass der Transport von Cooper-Paaren durch einen Quantenpunkt unter bestimmten Bedingungen durchaus möglich ist. Voraussetzung ist, dass das zweite Elektron dem ersten sehr schnell folgt, und zwar innerhalb der durch die Heisenbergsche Unschärferelation grob vorgegebenen Zeit.
Den Wissenschaftlern der Universität Basel ist es nun gelungen, dieses Phänomen genau zu messen. In ihren Experimenten fanden die Wissenschaftler genau die gleichen diskreten Resonanzen, die theoretisch berechnet worden waren. Darüber hinaus konnte das Team um den Doktoranden Jörg Gramich und seinen Betreuer Dr. Andreas Baumgartner den Nachweis erbringen, dass der Prozess auch dann funktioniert, wenn Energie an die Umwelt abgegeben oder von dieser aufgenommen wird.
„Unsere Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Transporteigenschaften supraleitender elektronischer Nanostrukturen bei, die für quantentechnologische Anwendungen von großem Interesse sind“, sagt Dr. Andreas Baumgartner.
