Vad skulle hända om en elektrisk ström inte längre flödade, men sipprade istället? Detta var frågan som undersöktes av forskare som arbetar med Christian Ast vid Max Planck Institute for Solid State Research. Deras undersökning involverade kylning av deras scanning tunnelmikroskop till en femtontusendels grad över absoluta nollpunkten. Vid dessa extremt låga temperaturer, elektronerna avslöjar sin kvantnatur. Den elektriska strömmen är därför ett granulärt medium, som består av enskilda partiklar. Elektronerna sipprar genom en ledare som sandkorn i ett timglas, ett fenomen som kan förklaras med hjälp av kvantelektrodynamik.

Flödande vatten från en kran känns som ett homogent medium - det är omöjligt att skilja mellan de enskilda vattenmolekylerna. Exakt samma sak gäller för elektrisk ström. Så många elektroner strömmar i en konventionell kabel att strömmen ser ut att vara homogen. Även om det inte är möjligt att särskilja enskilda elektroner, kvantmekaniken säger att de borde finnas. Så hur beter de sig? Under vilka förhållanden flyter inte strömmen som vatten genom en kran, utan snarare sipprar som sand i ett timglas?

Timglasanalogin är mycket lämplig för scanningstunnelmikroskopet, där en tunn, spetsiga spetsar skannar över ytan av ett prov utan att faktiskt röra det. En liten ström flyter ändå, eftersom det finns en liten sannolikhet att elektroner "tunnel" från den spetsiga spetsen in i provet. Denna tunnelström är en exponentiell funktion av separationen, varför den spetsiga spetsen ligger bara några Ångström (en tio miljondels millimeter) ovanför provet.

Små variationer i tunnelströmmen tillåter således forskare att lösa upp enskilda atomer och atomstrukturer på ytor och undersöka deras elektroniska struktur. Skannade tunnelmikroskop är därför några av de mest mångsidiga och känsliga detektorerna inom hela fasta tillståndets fysik.

Även under dessa extrema förhållanden – en liten ström på mindre än en miljarddel av den ström som flyter genom en 100-watts glödlampa – strömmar fortfarande miljarder elektroner per sekund. Detta är för många för att urskilja enskilda elektroner. Temperaturen var nere på runt en femtontusendels grad över absoluta nollpunkten (dvs vid minus 273,135°C eller 15 mK) innan forskarna såg att den elektriska strömmen består av enskilda elektroner.

Vid denna låga temperatur, mycket fina strukturer, som forskarna inte hade förväntat sig, dyker upp i spektrumet. "Vi skulle bara kunna förklara dessa nya strukturer genom att anta att tunnelströmmen är ett granulärt medium och inte längre homogen, säger Ast, som leder gruppen som arbetar med scanningstunnelmikroskopet. Detta är alltså första gången som den fullständiga kvantarten av elektronisk transport i scanningstunnelmikroskopet har visat sig.

Den elektriska laddningen måste därför också kvantiseras om detta kvantmekaniska fenomen ska förklaras fullt ut. "Teorin som ligger till grund för detta utvecklades redan i början av 1990-talet. Nu när konceptuella och praktiska frågor relaterade till dess tillämpning på avsökning av tunnelmikroskop har lösts, det är trevligt att se hur konsekvent teori och experiment passar ihop, säger Joachim Ankerhold från universitetet i Ulm, som bidragit med den teoretiska grunden.

Förutom en detaljerad teori, experiment av denna typ kräver en anpassad laboratoriemiljö som i hög grad minskar yttre störningar. Sedan slutet av 2012, ett nytt precisionslaboratorium har varit i drift på campus vid Max Planck-instituten i Stuttgart; det ger en nästan störningsfri laboratoriemiljö för mycket känsliga experiment som mK-skanningstunnelmikroskopet.

Instrumentet är placerat i precisionslaboratoriet i en låda utrustad med både akustisk och elektromagnetisk skärmning på en vibrationsfrikopplad betongbas. "Vi vill använda den för att ge oss in i nya, okänt territorium – vilket vi gjorde mycket framgångsrikt med detta experiment, säger Klaus Kern, Direktör vid Max Planck Institute for Solid State Research.

Elektroner har redan visat sin kvantnatur. När de transporteras genom kvantprickar, till exempel, strömflödet är specifikt blockerat så att elektronerna uppträder individuellt. Denna effekt blev uppenbar i skanningstunnelmikroskopet helt enkelt genom att kyla det till extremt låga temperaturer, dock. "Tunneleffekten har definitivt nått kvantgränsen här, " säger gruppmedlem Berthold Jäck. Forskarna vill inte se detta som en begränsning, dock. "Dessa extremt låga temperaturer öppnar upp för en oväntad detaljrikedom som gör att vi kan förstå supraledning och interaktioner mellan ljus och materia mycket bättre, säger Christian Ast.