Exotische Elektronenzustände

Messung des Quanten-Hall-Effekts

Bildbeschreibung:
Der Quanten-Hall-Effekt und eine seiner Anwendungen. Links: ein experimentelles Ergebnis. Die elektrischen Eigenschaften eines "zweidimensionalen Elektronengases" in einem Magnetfeld ändern sich mit der Magnetfeldstärke in auffälliger Weise. Während der "Längswiderstand" oder Magnetowiderstand bei bestimmten Feldstärken verschwindet, weist der "Hall-Widerstand" dort Plateaus auf. Rechts: ein mit Hilfe des Quanten-Hall-Effekts geeichtes konventionelles Widerstandsnormal. (MPI für Festkörperforschung, Stuttgart)

Elektronen in herkömmlichen elektronischen Werkstoffen können sich in allen drei Raumrichtungen frei bewegen. Die Mikroelektronik hat schon vor dreißig Jahren mit dem planaren Feldeffekttransistor ein Bauelement entwickelt, dessen Funktion durch Elektronen bestimmt ist, die sich nur in einer Ebene, also in zwei Raumdimensionen, bewegen können. Im Laufe der Zeit haben diese Transistoren, abgesehen von ihrer immensen Bedeutung für die Informationstechnologie, als Gegenstand der Grundlagenforschung eine dominierende Rolle in der Physik der kondensierten Materie übernommen. Man spricht von dimensionsreduzierten Systemen, wenn in einer oder mehreren Raumrichtungen die Bewegung der Elektronen auf Längenskalen eingeschränkt ist, die kleiner sind als die typische Wellenlänge der Elektronen oder ihre mittlere freie Weglänge, also die typische Entfernung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zusammenstößen der Elektronen mit den Kristallatomen.

Insbesondere wenn die Elektronen in ihrer Bewegung auf zwei Dimensionen, also auf eine Ebene beschränkt sind, zeigen sie bei sehr tiefen Temperaturen in starken Magnetfeldern ungewöhnliches Verhalten. Ein Beispiel dafür ist der Quanten-Hall-Effekt, den Klaus von Klitzing 1980 entdeckt hat. Dieser Effekt hat unter anderem eine neue internationale Festlegung des Widerstandsnormals ermöglicht, mit dem man elektrische Widerstände eicht. Bei sehr tiefen Temperaturen wurden in solchen zweidimensionalen "Elektronengasen" neuartige Quantenzustände gefunden, die zusammengesetzten Fermionen (engl. Composite Fermions). Sie bestehen aus Elektronen und winzigen Stromwirbeln, den magnetischen Flussquanten.

Gerät für Quanten-Hall-Messung