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Elektronik: Verlustfreier Strom in gewöhnlichem Metallring

 Metallring
Physiker haben erstmals elektrische Ströme in einem mikrometergroßen, nicht supraleitenden Aluminiumring nachgewiesen, die ohne eine angelegte Spannung beständig fließen. Lediglich ein äußeres Magnetfeld muss den Leiter durchdringen. Zwar hatten theoretische Modelle die Existenz eines solchen Stroms bereits vor Jahrzehnten vorausgesagt, doch bislang war es nicht gelungen, diesen präzise zu messen.

Metallring | In einem solchen Metallring konnten Harris und sein Team einen Strom messen, obwohl keine Spannung anlag.
Die Wissenschaftler um Jack Harris von der Yale University erfassten den schwachen Strom nun indirekt über das von ihm erzeugte Magnetfeld. Dabei verwendete das Team anders als bei vorherigen Experimenten die nanometergroße Spitze eines Nanocantilevers als Sensor: Die von den fließenden Ladungen generierte magnetische Kraft ändert die Schwingungen der Messnadel leicht ab, was die Forscher messen. Das Team konnte den Stromfluss auf diese Weise bei verschiedenen Temperaturen, Ringradien und äußeren Magnetfeldern untersuchen. Der Versuchsaufbau macht die Messungen im Vergleich zu früheren Ansätzen um eine Größenordnung präziser und zeigt, dass die elektrischen Ströme gut mit der Theorie übereinstimmen.

Cantilever und Metallringe | Das obere Bild zeigt einige Messfedern, die etwa 300 Nanometer dick und 300 Millimeter lang sind, unter dem Rasterelektronenmikroskop. Die helleren Bereiche an den Enden zweier Cantilever sind Anordnungen von Aluminiumringen. Auf dem unteren Bild sind diese vergrößert dargestellt. Jeder Ring misst etwa 800 Nanometer im Durchmesser. Mit der neuen Methode lässt sich auch der gesamte hier fließende Strom erfassen.
Eigentlich sollten gewöhnliche Metallringe dem Strom einen elektrischen Widerstand bieten und ihn so mit der Zeit abschwächen. Ein quantenmechanischer Effekt, der den Elektronentransport durch Metalle beeinflusst, würde dennoch einen verlustfreien Stromfluss ermöglichen. Ein Analogon dazu finde sich in Atomen, so die Forscher, denn die Elektronen bewegen sich dort verlustfrei um den Kern.

Mit Hilfe der neuen Messmethode könnte das Verhalten von Elektronen in Metallen nun besser studiert werden, erklärt Harris. So ließen sich womöglich besser einschätzen, welche Metalle sich als Supraleiter eignen.

Frühere Versuche konzentrierten sich ebenfalls darauf, das vom Strom erzeugte Magnetfeld zu messen. Dafür kamen extrem empfindliche Magnetometer, so genannte SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices), zum Einsatz. Die Ergebnisse waren jedoch nicht kostistent und wichen teilweise stark von den theoretischen Vorhersagen ab. (mp)

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  • Quellen
Bleszynski-Jayich, A. C. et al.: Persistent Currents in Normal Metal Rings. In: Science 326, S. 272–275, 2009.

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