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Quantenphysik: Quantenfluktuationen diktieren Nanodesign

© Alexej Weber / Universität HeidelbergLaden...
Mit zunehmender Miniaturisierung geraten elektronische Bauteile in einen Größenbereich, in dem sich die Seltsamkeiten der Quantenmechanik bemerkbar machen. Bei Abmessungen von gerade einmal 45 Nanometern spüren Transistoren beispielsweise bereits so genannte Vakuumfluktuationen, bei denen kurzzeitig virtuelle Teilchen entstehen. Zwischen benachbarten Bauteilen löschen solche Fluktuationen einander teilweise aus, was einen Unterdruck erzeugt. Diese als Casimirkraft bekannte Anziehung kann unerwünschte Folgen haben und sollte deshalb in der Nanoarchitektur berücksichtigt werden. Bisher ließ sich die Kraft allerdings nur für einfache Anordnungen wie beispielsweise parallele Platten quantitativ vorhersagen. Alexej Weber von der Universität Heidelberg und Holger Gies von der Universität Jena konnten jetzt erstmals auch präzise Berechnungen für den Fall anstellen, dass die Platten gegeneinander geneigt sind.

Unter diesen Umständen gilt, wie sich herausstellte, ein prinzipiell anderes Kraftgesetz. Außerdem nimmt der Casimireffekt stärker mit der Temperatur zu als bei parallelen Platten. Das liegt daran, dass bei höherer Temperatur vermehrt Fluktuationen auftreten. "Je mehr thermische Fluktuationen sich zu den Vakuumfluktuationen gesellen, desto stärker die Casimirkraft", erläutert Weber. Diese Schwankungen müssen allerdings in der Nanostruktur Platz finden. Zwischen parallele Platten passen nur bestimmte (quantisierte) Fluktuationen; zwischen geneigten Exemplaren lässt sich hingegen ein größeres Spektrum verschiedenfrequenter Schwingungen unterbringen.

Der Zusammenhang zwischen geometrischem Aufbau und der temperaturabhängigen Stärke der Casimirkraft war bislang unbekannt. Die Rechnungen von Weber und Gies deuten nun an, welche Anpassungen bei künftigen Nanostrukturen je nach ihrer Betriebs- und Umgebungstemperatur notwendig werden.

Vera Spillner

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