Zwei Kohlenstoff Nanoröhren

Wann Elektronen sich gegenseitig anziehen können

Gleiche Ladungen stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Dieses Grundprinzip der Elektrostatik wird durch das sogenannte coulombsche Gesetz beschrieben. Demnach stoßen sich negativ geladene Teilchen wie Elektronen gegenseitig ab. In der Fachzeitschrift „Nature“ berichten Forscher nun allerdings, dass sich Elektronen unter bestimmten Bedingungen auch anziehen können. Dieses ungewöhnliche Verhalten konnte das Team mit einem speziellen Aufbau aus Nanoröhrchen nachweisen und damit eine bereits vor fünfzig Jahren aufgestellte Theorie bestätigen.

Schematische Darstellung des Experimentes. Das Elektronen Paar wird voneinander angezogen aufgrund der durch die Coulomb-Kraft hervorgerufenen Verdrängung des Elektrons, die im Molekül stattfindet.
Schematische Darstellung des Experiments

Die Forschergruppe um Assaf Hamo vom Weizmann-Institut für Wissenschaft im israelischen Rechovot integrierte in eine Kohlenstoffnanoröhre zwei Elektronen, in eine zweite ein Molekül. Die Nanoröhrchen besitzen dabei fast keine Fehlstellen. „Das ermöglicht uns eine gute Kontrolle über die einzelnen Elektronen“, so Teammitglied Ilanit Shammass vom Weizmann-Institut für Wissenschaft. Assaf und Kollegen hatten das verwendete Molekül künstlich hergestellt, da sie auf diese Weise dessen elektrische Eigenschaften kannten und beeinflussen konnten. Vom Grundaufbau entspricht es zwei Atomen zwischen denen sich ein Elektron bewegt.

Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt platzierten die Forscher die beiden Nanoröhrchen senkrecht zueinander und schoben sie dann bis auf hundert Nanometer aneinander heran. Das freie Elektron im Molekül wurde von einem der anderen Elektronen durch die Coulomb-Kraft so abgestoßen, dass es eine Region mit positiver Ladung im Molekül zurückließ. Diese Region wirkte sich anziehend auf die zwei Elektronen im benachbarten Nanoröhrchen aus. Dadurch entstand eine anziehende Wirkung zwischen den beiden. „Die Region im Molekül bewirkt, dass ein Elektron positiv geladen erscheint. Dadurch wird das andere Elektron angezogen“, erläutert Shammass.

Dass Elektronen sich gegenseitig anziehen und Paare bilden, sogenannte Cooper-Paare, gilt als eine zentrale Voraussetzung für die Supraleitung. Dieser Effekt kann durch verschieden Methoden erzeugt werden. Eine rein elektronische Anziehung, wie der Physiker William Littles sie vor fünfzig Jahren beschrieb, konnte allerdings noch nie zuvor experimentell beobachtet werden. Für diese Paarbildung sind bislang stets sehr tiefe Temperaturen notwendig, so auch in diesem Experiment. „Eine der Perspektiven unserer Arbeit ist es neue Arten von Supraleitern zu konstruieren, die auch bei höheren Temperaturen arbeiten können“, sagt Shammas.