Erste elektronische Autobahnen auf der Nanoskala
Die gezielte Funktionalisierung von kohlenstoff-basierten Nanostrukturen erlaubt es erstmals, Strompfade direkt abzubilden und eröffnet dabei Wege für neuartige Quantenbauelemente.
In dem winzigen Draht mit einer Breite von 40 Nanometer bewegen sich die Elektronen auf den „farbigen Autobahnen“ ballistisch, also geradlinig, ohne Streuung und gegenseitige Beeinflussung.
TU Chemnitz/Johannes Aprojanz
Im Labor wird in einer Präparationskammer eines Rastertunnelmikroskops ein strukturierter Siliziumcarbid-Kristall aufgeheizt, damit kleinste Graphen-Strukturen entstehen können.
TU Chemnitz/Jacob Müller
Rechner werden immer schneller und damit leistungsfähiger. Ein Problem dabei ist jedoch, dass sie dafür mehr Energie benötigen, die fast komplett in oft ungenutzte Wärme umgewandelt wird. Dies belastet nicht nur die Umwelt. Es begrenzt auch die weitere Miniaturisierung elektronischer Bauelemente und die Erhöhung von Taktfrequenzen. Ein Ausweg aus diesem Dilemma wären Leiterbahnen, die keinen elektrischen Widerstand aufweisen. Auf Basis von kohlenstoff-basierten Nanostrukturen lassen sich solche Leiter realisieren. Durch das Heizen eines nanostrukturierten Siliziumcarbid-Kristalls entstehen an den Kanten kleinste Graphen-Strukturen. Unter Graphen versteht man eine einzige Lage wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome.
Physikern der Technischen Universität Chemnitz ist es nun erstmals gemeinsam mit Forschern der Universität Twente (Niederlande) und des MAX IV Laboratory in Lund (Schweden) gelungen, solche sogenannten ballistischen Drähte herzustellen und sie umfassend zu charakterisieren. „Das Besondere daran ist, dass die Elektronen diese winzigen Drähte passieren, ohne sie zu erhitzen – und das im Idealfall unabhängig von der Drahtlänge“, erläutert Prof. Dr. Christoph Tegenkamp, Inhaber der Professur Analytik an Festkörperoberflächen der TU Chemnitz. Anhand komplexer Experimente mittels Rasterkraft- und Multitip-Rastertunnelmikroskopie wurden die benachbarten Quantentransportkanäle im Detail vermessen und sogar unter Raumtemperatur und -atmosphäre direkt auf der Nanoskala abgebildet. „Das Überraschende für uns war, dass wir nun sogar mehrere, dicht beieinanderliegende Kanäle auf einem Draht identifizieren konnten, die sich gegenseitig nicht beeinflussen“, erklärt Johannes Aprojanz weiter, der sich gerade an der TU Chemnitz mit diesem Forschungsthema innerhalb seiner Doktorarbeit beschäftigt.
In Kooperation mit Theoretikern aus Kopenhagen und Barcelona konnte dieser bisher einmalige Effekt auf eine asymmetrische Wechselwirkung der Ränder mit dem Substrat zurückgeführt werden, wie das Journal „Nature Communication“ in seiner aktuellen Ausgabe berichtet. Die Autoren der Studie sind sich sicher, dass diese Art der Funktionalisierung auch für topologische Effekte in anderen 2D-Materialien interessant ist und neue Wege für das Design zukünftiger Quantenbauelemente aufzeigt. „Damit stoßen wir das Tor zu Computern, die sich kaum noch erwärmen, ein Stückchen weiter auf“, so Tegenkamp.
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