Tæt på absolut nul, elektroner udviser deres kvantekarakter

Hvad ville der ske, hvis der ikke længere strømmer en elektrisk strøm, men sildrede i stedet? Dette var spørgsmålet undersøgt af forskere, der arbejdede med Christian Ast ved Max Planck Institute for Solid State Research. Deres undersøgelse involverede afkøling af deres scanningstunnelmikroskop ned til en femten tusendels grad over det absolutte nul. Ved disse ekstremt lave temperaturer, elektronerne afslører deres kvante natur. Den elektriske strøm er derfor et granuleret medium, bestående af individuelle partikler. Elektronerne sildrer gennem en leder som sandkorn i et timeglas, et fænomen, der kan forklares ved hjælp af kvanteelektrodynamik.

Strømmende vand fra en hane føles som et homogent medium - det er umuligt at skelne mellem de enkelte vandmolekyler. Præcis det samme gælder elektrisk strøm. Så mange elektroner strømmer i et konventionelt kabel, at strømmen ser ud til at være homogen. Selvom det ikke er muligt at skelne mellem individuelle elektroner, kvantemekanik siger, at de burde eksistere. Så hvordan opfører de sig? Under hvilke forhold strømmer strømmen ikke som vand gennem en hane, men hellere sildrer som sand i et timeglas?

Timeglasanalogien er meget passende til scanningstunnelmikroskopet, hvor en tynd, spids spids scanner hen over overfladen af ​​en prøve uden egentlig at røre den. Ikke desto mindre strømmer en lille strøm, da der er en lille sandsynlighed for, at elektroner "tunnel" fra den spidse spids ind i prøven. Denne tunnelstrøm er en eksponentiel funktion af adskillelsen, derfor er den spidse spids kun placeret få Ångström (en ti milliontedel af en millimeter) over prøven.

Minutvariationer i tunnelstrømmen gør det således muligt for forskere at løse individuelle atomer og atomstrukturer på overflader og undersøge deres elektroniske struktur. Scanning af tunnelmikroskoper er derfor nogle af de mest alsidige og følsomme detektorer i hele solid state -fysikken.

Selv under disse ekstreme forhold-en lillebitte strøm på mindre end en milliarddel af strømmen, der strømmer gennem en 100-watt pære-strømmer der stadig milliarder af elektroner i sekundet. Dette er for mange til at skelne individuelle elektroner. Temperaturen var nede omkring en femten tusindedel af en grad over det absolutte nul (dvs. ved minus 273.135 ° C eller 15 mK), før forskerne så, at den elektriske strøm består af individuelle elektroner.

Ved denne lave temperatur, meget fine strukturer, som forskerne ikke havde forventet, vises i spektret. "Vi kunne kun forklare disse nye strukturer ved at antage, at tunnelstrømmen er et granuleret medium og ikke længere homogent, "siger Ast, der leder gruppen, der arbejder med scanningstunnelmikroskopet. Dette er således første gang, at den fulde kvante karakter af elektronisk transport i scanningstunnelmikroskopet har vist sig.

Den elektriske ladning skal derfor også kvantiseres, hvis dette kvantemekaniske fænomen skal forklares fuldt ud. "Teorien, som dette er baseret på, blev udviklet tilbage i begyndelsen af ​​1990'erne. Nu hvor konceptuelle og praktiske spørgsmål vedrørende dens anvendelse på scanning af tunnelmikroskoper er blevet løst, det er rart at se, hvor konsekvent teori og eksperiment passer sammen, "siger Joachim Ankerhold fra universitetet i Ulm, der bidrog med det teoretiske grundlag.

Ud over en detaljeret teori, eksperimenter af denne type kræver et tilpasset laboratoriemiljø, der i høj grad reducerer eksterne forstyrrelser. Siden slutningen af ​​2012 har et nyt præcisionslaboratorium har været i drift på campus på Max Planck Institutes i Stuttgart; det giver et næsten forstyrrelsesfrit laboratoriemiljø til meget følsomme eksperimenter såsom mK-scanningstunnelmikroskop.

Instrumentet er placeret i præcisionslaboratoriet i en æske udstyret med både akustisk og elektromagnetisk afskærmning på en vibrationsafkoblet betonbase. "Vi vil bruge det til at vove os til nye, ukendt territorium - hvilket vi gjorde meget vellykket med dette eksperiment, "siger Klaus Kern, Direktør ved Max Planck Institute for Solid State Research.

Elektroner har allerede demonstreret deres kvantekarakter. Når de transporteres gennem kvantepunkter, for eksempel, strømmen er specifikt blokeret, så elektronerne vises individuelt. Denne effekt blev tydelig i scanningstunnelmikroskopet ved blot at afkøle det til ekstremt lave temperaturer, imidlertid. "Tunneleffekten har helt sikkert nået kvantegrænsen her, "siger teammedlem Berthold Jäck. Forskerne ønsker ikke at se dette som en begrænsning, imidlertid. "Disse ekstremt lave temperaturer åbner op for en uventet detaljerigdom, der giver os mulighed for at forstå superledelse og lys-stof-interaktioner meget bedre, ”siger Christian Ast.