Groningen-forskare har hittat en förklaring till ett mysterium som har förbryllat fysiksamhället sedan 1995. I den vetenskapliga tidskriften Natur torsdagen den 28 augusti (Advance Online Publication), de förklarar varför elektroner passerar genom mycket små ledningar (kända som kvantpunktskontakter) mindre smidigt än förväntat. Observationerna av gruppen ledd av prof. C.H. van der Wal från Zernike Institute for Advanced Materials vid University of Groningen kommer att påverka elektronik i nanoskala:"Vårt tänkande om detta har varit för naivt hittills."

Mysteriet gäller nanotrådar som är cirka hundra atomer breda. Redan 1988 den holländska fysikern Bart van Wees, för närvarande professor vid Zernike Institute, upptäckte en anmärkningsvärd effekt i denna typ av tråd. När han gjorde dem bredare, flödet ökade inte gradvis utan stegvis. Van der Wal:"Detta kan förklaras av kvanteffekter som inträffade i ledningarna. Det finns en formel som beskriver exakt hur dessa steg sker.'

Oväntad topp

Dock, i första steget, med de tunnaste trådarna, ett litet undantag i den gradvisa ökningen återfanns konsekvent. "Du ser en oväntad topp, varefter ledningen ökar mindre snabbt än förväntat under en tid. Detta noterades redan i den första publikationen om detta av Van Wees, men initialt trodde forskare att inkonsekvensen berodde på små defekter i materialet som användes.' 1995 visade det sig att så inte var fallet. 'Toppen var verklig, vilket innebar att fysiska processer inträffade som vi inte riktigt förstod.' Hundratals publikationer har dykt upp om fenomenet, känd som "Zero Bias Anomaly" (ZBA), men ingen kunde ta reda på vad som orsakade det.

Några år sedan, en av Van der Wals doktorander gjorde ett antal av den här typen av kvanttråd. ”De var avsedda för en helt annan typ av forskning. Dock, vi observerade toppen och några andra intressanta trender.' Van der Wal bestämde sig för att starta ett separat forskningsprojekt.

bergspass

En pakistansk doktorand, Javaid Iqbal, skapat ett stort antal av denna typ av kvanttråd. Förutom de "vanliga" trådarna vars bredd är anpassningsbar, han gjorde också trådar vars längd kunde varieras. Ledningarna, i synnerhet, skiljer sig mycket från de klassiska elektriska ledningarna från vårt dagliga liv (en ledande kärna omgiven av isolerande material), men består av en halvledare på vilken elektroder styr kanten på en liten kanal. Elektroderna skapar en "sadelpunktspotential", ett slags litet bergspass där elektroderna på båda sidor styr branta väggar.

Van der Wal:'Vi såg toppen som alla andra hittade. Men när vi ökade spänningen över tråden, plötsligt var det en dubbeltopp. Andra hade också observerat detta, men de tyckte att det tydde på att deras tråd inte längre fungerade som den ska. Genom att arbeta under extremt kontrollerade omständigheter, en bråkdel över absolut nolltemperatur, med extremt rent material och genom att testa ett stort antal trådar, Van der Wals grupp har kunnat bevisa att fenomenet är verkligt. "Och vi upptäckte att utseendet på ZBA inte bara var beroende av spänningen, men också på trådens längd.'

Många kroppsfysik

Van der Wal kontaktade teoretiska fysiker som hade arbetat på ZBA i flera år, särskilt en grupp i Israel som hade förutspått existensen av en dubbeltopp. "Men de hade inte förutsett att det också berodde på längden." Tillsammans med kollegor från Tyskland och Spanien, de har hittat en förklaring till fenomenet. "Vi tror nu att elektroner fastnar på toppen av "bergspasset" som bildar kvanttråden, ' förklarar Van der Wal.

Elektroner som strömmar genom tråden beter sig som kvantvågor. "De slår mot väggarna, och ibland reflekteras från bergspassets flanker. De känner också av varandras närvaro.' Detta resulterar i en komplex växelverkan mellan olika fysiska fenomen. "Vi kallar detta "många kroppsfysik". Det är väldigt komplext. Du kan inte beskriva hur alla interaktioner fortskrider med en singel, enkel formel.' Dock, slutresultatet är att en elektron fångas på toppen av bergspasset eller, med fysikernas ord, blir lokaliserad. Detta påverkar ledningarnas ledningsförmåga och resulterar i konstiga toppar. "Och med längre ledningar kan två eller flera elektroner bli lokaliserade, vilket resulterar i dubbla eller till och med tredubbla toppar.'

Mer komplex

"Vad vi nu vet är att beteendet hos elektroner i den här typen av kvanttråd är mycket mer komplext än vi trodde. Det får alla möjliga konsekvenser. Egenskaperna hos elektroner som passerar genom en sådan tråd, till exempel deras spin (elektroners precessionsrörelse), kan ändras i tråden. "Det är något du måste ta hänsyn till." Kvanttrådarna används ofta i forskning, till exempel när man gör Quantum Dots (används som bitar när man bygger en kvantdator).

Förutom artikeln av Van der Wal och hans kollegor, Natur kommer att publicera ytterligare en artikel på ZBA på torsdag, med många av samma slutsatser. Mysteriet är alltså så gott som löst. De sista detaljerna kommer att resultera i intressanta diskussioner, fastän', anmärker Van der Wal entusiastiskt.