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Ein Interferometer für Elektronen

Von Rainer Scharf

Die quantenmechanische Wellennatur der Elektronen lässt sich mit Interferometern sichtbar machen. Bisher versagen diese Geräte jedoch in starken Magnetfeldern, wo Elektronen besonders interessantes Verhalten zeigen. Ein neuartiges Interferometer schafft hier Abhilfe.

Das Elektronen-Interferometer, das Moty Heiblum und seine Kollegen vom Weizmann Institut in Rehovot, Israel, gebaut haben, ist das Pendant zu dem aus der Optik bekannten Mach-Zehnder-Interferometer. Dabei spaltet ein teildurchlässiger Spiegel einen Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen auf, die unterschiedliche Wege einschlagen. Normale Spiegel lenken die beiden Teilstrahlen auf einen zweiten teildurchlässigen Spiegel, der sie wieder zusammenbringt und miteinander interferieren lässt. Mit Lichtdetektoren beobachtet man, wie sich die beiden Teilstrahlen gegenseitig verstärken oder auslöschen - je nach der Wegdifferenz der Strahlen.

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Abb. 1: Das elektronische Interferometer unter dem Elektronenmikroskop. Den Elektronen stehen zwei Wege in der ringförmigen Halbeiterschicht offen. Mit Hilfe der elektrischen Kontakte werden die Elektronenströme geteilt, abgelenkt, vereinigt und schließlich gemessen. (Quelle: Heiblum)

Beim neuen elektronischen Interferometer wird ein Elektronenstrom in zwei Teilströme aufgespalten, die dann unterschiedliche Wege zurücklegen und schließlich wieder kohärent überlagert werden. Die Elektronen bewegen sich dabei in einer zweidimensionalen ringförmigen Halbleiterstruktur, deren Durchmesser nur wenige Mikrometer beträgt. Ein starkes Magnetfeld von einigen Tesla zwingt die Elektronen auf zwei verschiedene Bahnen, die nahe dem Innen- oder Außenrand des Ringes verlaufen.

Auf der einen Bahn umrunden die Elektronen das Loch im Ring und damit auch den magnetischen Fluss, der durch das Loch tritt. Dadurch erhält ihre Wellenfunktion eine zusätzliche, magnetfeldabhängige Phase. Auf der anderen Bahn umrunden die Elektronen das Loch nicht und ihre Phase wird auch nicht durch das Magnetfeld verändert. Bringt man die beiden Bahnen zusammen, dann können die Elektronen interferieren. Das Interferenzsignal - der elektrische Strom - hängt von der Phasendifferenz der Elektronen auf den beiden Bahnen ab. Tatsächlich beobachten Heiblum und seine Kollegen, dass der Elektronenstrom periodisch schwankt, wenn sie die Stärke des Magnetfeldes verändern.

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Abb. 2: Nur die Elektronen am Rand der Halbleiterstruktur kommen in einem starken Magnetfeld von der Stelle. Einschnürungen in der Halbleiterschicht wirken auf die Elektronen wie teildurchlässige Spiegel. (Quelle: Heiblum)

Die Interferenz der Elektronen ist aber nur dann gut sichtbar, wenn die Halbleiterstruktur auf 20 Millikelvin abgekühlt wird. Erhöht man die Temperatur auf 100 Millikelvin, verschwindet das Interferenzsignal. Auch wenn die Elektronen mit zu hoher Energie in das Interferometer hineingebracht werden, lässt sich keine Interferenz mehr beobachten. Die Ursache dafür ist noch unklar. Die Forscher sind sich allerdings sicher, dass dafür nicht etwa inelastische Stöße der Elektronen verantwortlich sind, die die Kohärenz zwischen den beiden Elektronenströmen zerstören können.

Mit dem neuen Interferometer wollen Heiblum und seine Mitarbeiter die quantenmechanischen Eigenschaften der elektrischen Ladungen beim Fraktionalen Quanten-Hall-Effekt untersuchen. Da sie in diesem Zusammenhang bei früheren Experimenten auch Bruchteile von der Elementarladung beobachten konnten, wird das Interferometer sicher interessante Informationen liefern. 

Quelle
Yang Ji et al., An Electronic Mach-Zehnder Interferometer, Nature 422, 415 (2003)
http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature01503
http://arxiv.org/abs/cond-mat/0303553

Kontakt
Moty Heiblum, E-Mail: heiblum@wisemail.weizmann.ac.il

Weitere Infos
Heiblum-Gruppe:
http://www.weizmann.ac.il/condmat/heiblum.html

pro-physik.de v. 2.4.2003

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