Elektronenstau im Nanodraht

Der Fluss von Elektronen stockt in Drähten, die nur so dünn wie ein Atom sind

Nanodrähten aus Goldatomen
Nanodrähten aus Goldatomen

Kassel/Würzburg - Nanodrähte und ihre speziellen elektrischen Eigenschaften könnten dazu beitragen, elektrischen Bauteile noch weiter zu verkleinern und damit auch kleinere elektrische Geräte zu bauen. Forscher der Universitäten Würzburg und Kassel konnten nun beobachten, dass sich die Elektronen in einem solchen Nanodraht nicht frei bewegen können. Stattdessen sind sie an bestimmte Positionen gebunden, ein Weiterfließen ist deshalb erst möglich, wenn die nächste Position frei wird, vergleichbar mit einem Autostau im Straßenverkehr.

Die "Straße" der Elektronen ist in diesem Fall eine Kette aus Goldatomen, die den Nanodraht bildet. Mit einer speziellen Methode dampften die Physikern das Gold auf eine Germanium-Oberfläche. Dabei organisieren sich die Goldatome von selbst zu einer Vielzahl solcher Nanodrähte, die nur ein Atom dünn sind. Die Wissenschaftler untersuchten dann die Leitfähigkeit dieser Nanodrähte unter anderem mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie. Dabei beobachteten sie, dass die Bewegungsfreiheit der Elektronen durch die Drähte auf eine Dimension beschränkt ist, wie bei einer Straße können die Elektronen nur vor und zurück, aber nicht zur Seite ausweichen. "Dabei können sie nur ausgewählte Energien annehmen, was sich in der elektrischen Leitfähigkeit widerspiegelt und von uns im Experiment genau vermessen wurde", sagt René Matzdorf, einer der beteiligten Physiker der Universität Kassel.

Die Elektronen in einem so dünnen Draht verhalten sich wie eine eindimensionale Quantenflüssigkeit. So nennt man das Modell, mit dem die Eigenschaften wechselwirkender Elektronen in einem so dünnen Leiter beschrieben werden können. Eindimensionale Quantenflüssigkeiten und ihre Eigenschaften wurden bereits vor rund 50 Jahren theoretisch vorhergesagt. Bis heute wurden allerdings nur wenige dieser Eigenschaften experimentell festgehalten. Mit dem "Elektronenstau" haben die Forscher jetzt eine dieser Eigenschaften beobachtet.

Die Forscher hoffen, bald mit Kombinationen aus diesen Nanodrähten und einzelnen Atomen oder Molekülen, kleine elektrische Schaltkreise zu präparieren und diese zu untersuchen. Sie könnten dann zum Beispiel in Computern oder anderen elektronischen Geräten Verwendung finden.