Verschiebebahnhof für einzelne Elektronen

Physikern ist es gelungen, mit einer Einzelelektronen-Pumpe kleine „Ladungspakete“ aus einer genau bestimmten Anzahl Elektronen gezielt und präzise zwischen metallischen Elektroden hin- und her zu transferieren. Als Ladungsdetektor setzten die Forscher ein Einzelelektronen-Transistor ein, der Ladungsänderungen von weniger als einem Elektron auflösen kann.

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Das erfolgreiche Experiment an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Aufbau eines neuen Kapazitätsnormals, bei dem ein Kondensator mit einer genau bekannten Anzahl von Elektronen geladen wird. Die entstehende Spannung kann mit Hilfe eines Josephson-Spannungsnormals gemessen werden.

Die Rückführung der Kapazität auf einen Widerstand über den Quanten-Hall-Effekt erlaubt dann schließlich die Realisierung des so genannten „Quantenmetrologischen Dreiecks“, das die drei elektrischen Quanteneffekte verknüpft. Die dafür angestrebte Präzision erfordert die Manipulation der Ladung auf der Skala eines einzelnen Elektrons.

Serienschaltung von ultrakleinen Tunnelkontakten

Die im Experiment verwendete Einzelelektronen-Pumpe besteht aus einer Serienschaltung von fünf ultrakleinen metallischen Tunnelkontakten. Diese Tunnelkontakt-Kette ist an eine metallische „Inselelektrode“ mit einer kleinen Gesamtkapazität C∑= 20 fF angeschlossen. Mit einer schnellen Folge von Spannungsimpulsen an den Gatterelektroden der Pumpe (V1-4) wird innerhalb von 0,25 µs ein Elektron durch die Kette hindurch auf die Insel gepumpt.

Messungen des Ausgangssignals © PTB

Das Überschusselektron bewirkt dort eine Potentialänderung von etwa acht µV, die mit dem kapazitiv angekoppelten Einzelelektronen-Transistor nachgewiesen wird. Nach einer Wartezeit tw wird das Überschusselektron durch Anlegen einer gegenläufigen Spannungssequenz wieder von der Insel entfernt.

Im demonstrierten „Shuttle“-Betrieb wird das aufeinander folgende Be- und Entladen der Insel mit einem oder mehreren Elektronen periodisch wiederholt. Im „Haltemodus“ werden die Gatterspannungen an der Einzelelektronen-Pumpe nicht moduliert. Im Idealfall bleibt der Ladungszustand der Insel dann konstant, da Tunnelprozesse durch den Coulomb-Blockade-Effekt unterdrückt sind.

(idw – Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 28.02.2008 – DLO)