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Elektrischer Widerstand: Ohmsches Gesetz gilt auch im atomaren Maßstab

Draht unter dem RastertunnelmikroskopLaden...

Elektronische Geräte sollen immer kleiner ausfallen, und mit ihnen schrumpfen auch die elektrischen Leitungen darin. Je winziger die Drähte, desto höher allerdings der elektrische Widerstand. Forscher um Michelle Simmons von der University of New South Wales in Sydney haben nun jedoch einen nur ein Atom hohen und vier Atome breiten Draht entwickelt, der die Ladung nicht nur ebenso gut leitet wie ein dickes Kupferkabel, sondern erstaunlicherweise auch noch nach klassischen Gesetzen.

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Draht unter dem Rastertunnelmikroskop | Diese Aufnahme mit dem Rastertunnelmikroskop zeigt den 1,5 Nanometer dicken Draht auf einer Siliziumoberfläche.

Die Wissenschaftler erzeugten den winzigen Draht, indem sie Phosphoratome mit Hilfe der Spitze eines Rastertunnelmikroskops weniger als einen Nanometer voneinander entfernt auf eine Siliziumoberfläche platzierten. Anschließend betteten sie das Atomgefüge in das Halbleitermaterial ein. Auf diese Weise verhinderten sie, was in gewöhnlichen Nanodrähten passiert: Deren freie Oberfläche ist im Vergleich zu ihrem Volumen riesig, was sowohl die Beweglichkeit als auch die Verfügbarkeit der Ladungsträger begrenzt und damit den Widerstand erhöht.

In den speziellen Nanodrähten mit Dicken zwischen 1,5 und 11 Nanometern beobachteten Simmons und ihre Kollegen tatsächlich dieselben Strom leitenden Eigenschaften wie in einem herkömmlichen Kupferdraht. Zudem sollten in diesen atomaren Dimensionen längst Quanteneffekte die Leitfähigkeit des Materials bestimmen. Demnach wäre der Widerstand unabhängig von der Länge des Leiters. Doch das Team stellte einen linearen Zusammenhang zwischen Widerstand und Länge des Drahts fest – genau wie in einem makroskopischen Metalldraht.

Verantwortlich für das klassische Verhalten seien Teilchenkollisionen im Draht, die den quantentypischen Ladungstransport – bei dem die Welleneigenschaften der Quanten das Geschehen bestimmen – stören. Denn die Anordnung der Phosporatome sorge für eine hohe Elektronendichte und damit für viele Zusammenstöße zwischen den Teilchen. Bis zu einer Länge von zehn Nanometern und sogar bei extrem niedrigen Temperaturen von nur rund vier Grad über dem absoluten Nullpunkt hält das ohmsche Gesetz stand, berichten die Wissenschaftler.

In diesem linearen Zusammenhang zwischen elektrischer Spannung und Stromstärke bildet der Widerstand die Proportionalitätskonstante. Da dieses Gesetz aus der klassischen Physik offenbar auch in der Quantenwelt gültig bleibt, könnten den Wissenschaftlern zufolge elektronische Bauteile vielleicht noch kleiner hergestellt werden, als bisher für möglich gehalten wurde.

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  • Quellen
Science 335, S. 64–67, 2011

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