14.10.2009 - Yale University

Physiker bestätigen Existenz elektrischer Dauerströme in Metallringen

Seit den Anfängen der Quantenphysik in den 20er und 30er Jahren des vergangenen Jahrhunderts wurde immer wieder vermutet, dass in winzigen Metallringen elektrische "Dauerströme" fließen können. Diese Ströme sind zwar klein, fließen aber dauerhaft auch ohne angelegte Spannung. Physiker der Yale University und der Freien Universität Berlin haben nun die Existenz dieser Dauerströme detailliert nachgewiesen und gezeigt, dass ihre Eigenschaften erstaunlich gut mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Die Ergebnisse ihrer Forschungsarbeiten sind im aktuellen Fachmagazin "Science" veröffentlicht.

Die Existenz der Dauerströme ist auch für Fachleute überraschend, da sie in gewöhnlichen, nicht supraleitenden Metallen auftreten, in denen gemeinhin Ströme aufgrund des elektrischen Widerstands nur bei angelegter Spannung fließen können. Die gemessenen Dauerströme beruhen auf einem Effekt der Quantenphysik, der die Bewegung von Elektronen in Metallen beeinflusst. Letztlich kann man sie sich als Ausdruck derselben Bewegung vorstellen, die es den Elektronen im Atom erlaubt, unaufhörlich um den Atomkern zu kreisen.

Ein experimenteller Nachweis der Dauerströme ist schwierig. Sie können nicht direkt mit einem konventionellen Strommessgerät gemessen werden, da sie ausschließlich in den Metallringen mit einem Durchmesser von etwa einem Mikrometer fließen. Ein Mikrometer entspricht etwa einem Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares und ist vergleichbar mit der Größe der Drähte in einem Silizium-Computerchip. In bisherigen Experimenten wurde daher versucht, die Dauerströme anhand des von ihnen verursachten Magnetfeldes nachzuweisen. (Ein Magnetfeld wird immer erzeugt, wenn ein Strom durch einen Draht fließt.) Hierzu wurden hochempfindliche Magnetfeldsonden eingesetzt, so genannte SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Device). Die Ergebnisse dieser Experimente waren allerdings widersprüchlich und wichen zum Teil weit von den theoretischen Vorhersagen ab.

Die jetzt an der Yale University unter der Leitung von Jack Harris durchgeführten Experimente beruhen auf einer anderen und neuartigen Strategie. Die Metallringe wurden auf die Spitze eines Nanokantilevers - einer Art schwingendem Miniatursprungbrett - aufgebracht. Der in den Ringen fließende Strom führte zu einer magnetischen Kraft auf den Kantilever und konnte so mittels der dadurch veränderten Schwingungen des "Sprungbretts" nachgewiesen werden. Nach langjähriger Optimierung ist es mit Hilfe dieses Verfahrens gelungen, die Dauerströme viel präziser als bisher nachzuweisen und zu vermessen.

Die umfassendsten theoretischen Vorhersagen für diese Experimente gehen zurück auf die 15 Jahre alte Doktorarbeit von Felix von Oppen, der jetzt am Dahlem Center for Complex Quantum Systems an der Freien Universität Berlin forscht. Deren Ergebnisse wurden nun gemeinsam mit den amerikanischen Wissenschaftlern auf die Gegebenheiten der neuen experimentellen Methode erweitert. Insbesondere war es erforderlich, Effekte der Relativitätstheorie (die so genannte Spin-Bahn-Kopplung) in den theoretischen Rechnungen zu berücksichtigen. Nach diesen Anpassungen zeigte sich, dass die Messungen die theoretischen Vorhersagen mit großer Genauigkeit bestätigen.

Die stark verbesserte Messmethode hat nun nicht nur ein altes Rätsel aufgelöst, sondern auch das Tor zu zahlreichen Experimenten aufgestoßen, von denen sich die Wissenschaftler neue Einsichten in das Verhalten von Elektronen in Metallen versprechen. Deren Resultate könnten beispielsweise Metalle identifizieren, die potentiell als Supraleiter dienen könnten, sowie das Verhalten von Qubits, den Bausteinen eines zukünftigen Quantencomputers, erhellen.

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