Supraleiter-Transistor aus Nanoröhrchen

Winzige Quantenpunkte weisen einen Weg auf, zukünftige Computerchips noch schneller und ihre Strukturen noch kleiner zu gestalten.

Delft (Niederlande) - Von einer Serienfertigung noch weit entfernt, analysieren Physiker derzeit das grundlegende Schaltverhalten dieser filigranen Transistoren. Niederländische Wissenschaftler schlugen nun eine Kombination aus supraleitenden Metallen und Nanoröhrchen aus Kohlenstoff vor. Diesen potenziell sehr schnellen und Strom sparenden Ansatz beschreiben sie in der Zeitschrift "Nature".

Der Transport von Elektronen durch Nanostrukturen kann durch die Verwendung von supraleitenden Kontakten stark beeinflusst werden. "Wenn die Schnittstelle zwischen der Nanostruktur und dem Supraleiter ausreichend transparent ist, kann ein Strom verlustfrei durch das gesamte Bauteil fließen", erklären Pablo Jarillo-Herrero und seine Kollegen vom Kavli Institut für Nanowissenschaften an der Technischen Universität Delft. Genau diese Eigenschaft nutzten sie aus und entwickelten einen Transistor, der auf dem Josephson-Effekt beruht. Zwei Supraleiter werden dabei durch eine wenige Nanometer dünne, nicht-supraleitende Barriere getrennt. So können die für die Supraleitung verantwortlichen Cooper-Paare von einem Supraleiter durch die Barriere in den anderen tunneln. Eine derartige Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter (SNS)- Anordnung nennt man Josephson-Kontakt.

Wurden in bisherigen Versuchen Metalle als normalleitende Barriere eingesetzt, verwendete das Delfter Team leitende Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Über eine hauchdünne Schicht aus Titan (10 Nanometer) gewährleisteten sie einen guten elektrischen Kontakt zu einer etwas dickeren (60 Nanometer) Elektrode aus Aluminium. Abgekühlt auf unter 1,3 Grad Kelvin wird das Leichtmetall supraleitend. Der supraleitende Fluss der Elektronen durch diese Schichten ist allerdings nur bis zu einer kritischen Stromstärke gegeben. Übersteigt der Strom einen kritischen Wert von wenigen Nanoampère, kommt es zum Aufbrechen von Cooper-Paaren in der Barriere und nur noch ein Teil des Stromes wird von Cooper-Paaren getragen, der restliche kommt von tunnelnden Einzelelektronen. Dieser Effekt lässt sich prinzipiell für ein Schalten des Transistors nutzen.

In ihrem Experiment beobachteten Jarillo-Herrero und Kollegen nun eine Modulation dieser kritischen Stromstärke zwischen 0 und 3 Nanoampère. Diese lässt sich über die angelegte Gate-Spannung mit Werten um 2,5 Volt kontrollieren. "Solch ein Josephson-Transistor-Mechanismus, verursacht durch die diskrete Natur der Energieniveaus in der Nanostruktur des Nanoröhrchens, konnte bisher nicht beobachtet werden", so die Forscher. Schon heute werden Josephsonkontakte häufig als extrem schnelle Schaltelemente und sehr genaue Spannungsstabilisatoren eingesetzt. Außerdem werden sie in Systemen zur Messung extrem kleiner magnetischer Flüsse (SQUIDs) verwendet. Nanoröhrchen statt Metalle als Tunnelbarriere zeigten nun eine viel versprechende Modulation der kritischen Stromstärke, die den Übergang zwischen supraleitendem und mit einem elektrischen Widerstand behafteten Tunnelstrom bestimmt. Zu konkreten Anwendungen, beispielsweise für schnellere Transistoren, äußerten sich die Delfter Physiker allerdings noch nicht.