Erste elektronische Autobahnen auf der Nanoskala

Erste elektronische Autobahnen auf der Nanoskala

Physik-News vom 24.10.2018

Internationale Forschungskooperation: Die gezielte Funktionalisierung von kohlenstoff-basierten Nanostrukturen erlaubt es erstmals, Strompfade direkt abzubilden und eröffnet dabei Wege für neuartige Quantenbauelemente

Rechner werden immer schneller und damit leistungsfähiger. Ein Problem dabei ist jedoch, dass sie dafür mehr Energie benötigen, die fast komplett in oft ungenutzte Wärme umgewandelt wird. Dies belastet nicht nur die Umwelt. Es begrenzt auch die weitere Miniaturisierung elektronischer Bauelemente und die Erhöhung von Taktfrequenzen. Ein Ausweg aus diesem Dilemma wären Leiterbahnen, die keinen elektrischen Widerstand aufweisen. Auf Basis von kohlenstoff-basierten Nanostrukturen lassen sich solche Leiter realisieren. Durch das Heizen eines nanostrukturierten Siliziumcarbid-Kristalls entstehen an den Kanten kleinste Graphen-Strukturen. Unter Graphen versteht man eine einzige Lage wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome.

Physikern der Technischen Universität Chemnitz ist es nun erstmals gemeinsam mit Forschern der Universität Twente (Niederlande) und des MAX IV Laboratory in Lund (Schweden) gelungen, solche sogenannten ballistischen Drähte herzustellen und sie umfassend zu charakterisieren. „Das Besondere daran ist, dass die Elektronen diese winzigen Drähte passieren, ohne sie zu erhitzen – und das im Idealfall unabhängig von der Drahtlänge“, erläutert Prof. Dr. Christoph Tegenkamp, Inhaber der Professur Analytik an Festkörperoberflächen der TU Chemnitz.


Im Labor wird in einer Präparationskammer eines Rastertunnelmikroskops ein strukturierter Siliziumcarbid-Kristall aufgeheizt, damit kleinste Graphen-Strukturen entstehen können.

Publikation:


Johannes Aprojanz, Stephen R. Power, Pantelis Bampoulis, Stephan Roche, Antti-Pekka Jauho, Harold J. W. Zandvliet, Alexei A. Zakharov & Christoph Tegenkamp
Ballistic tracks in graphene nanoribbons
Nature Communicationsvolume 9, Article number: 4426 (2018)

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-06940-5



Anhand komplexer Experimente mittels Rasterkraft- und Multitip-Rastertunnelmikroskopie wurden die benachbarten Quantentransportkanäle im Detail vermessen und sogar unter Raumtemperatur und -atmosphäre direkt auf der Nanoskala abgebildet. „Das Überraschende für uns war, dass wir nun sogar mehrere, dicht beieinanderliegende Kanäle auf einem Draht identifizieren konnten, die sich gegenseitig nicht beeinflussen“, erklärt Johannes Aprojanz weiter, der sich gerade an der TU Chemnitz mit diesem Forschungsthema innerhalb seiner Doktorarbeit beschäftigt.

In Kooperation mit Theoretikern aus Kopenhagen und Barcelona konnte dieser bisher einmalige Effekt auf eine asymmetrische Wechselwirkung der Ränder mit dem Substrat zurückgeführt werden, wie das Journal „Nature Communication“ in seiner aktuellen Ausgabe berichtet. Die Autoren der Studie sind sich sicher, dass diese Art der Funktionalisierung auch für topologische Effekte in anderen 2D-Materialien interessant ist und neue Wege für das Design zukünftiger Quantenbauelemente aufzeigt. „Damit stoßen wir das Tor zu Computern, die sich kaum noch erwärmen, ein Stückchen weiter auf“, so Tegenkamp.


In dem winzigen Draht mit einer Breite von 40 Nanometer bewegen sich die Elektronen auf den „farbigen Autobahnen“ ballistisch, also geradlinig, ohne Streuung und gegenseitige Beeinflussung.

Diese Newsmeldung wurde mit Material von idw-online erstellt



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Festkörperphysik
Deutsch-französisches Forscherteam entdeckt „Anti-aging“ in metallischen Gläsern
Metallische Gläser unterliegen derselben natürlichen Entwicklung wie wir Menschen: sie altern.
03.04.2018
Festkörperphysik - Quantenphysik
Von der Quantenebene zur Autobatterie
Neue Entwicklungen brauchen neue Materialien.
03.04.2018
Elektrodynamik - Festkörperphysik
Ein Drittel des Sonnenlichts in Strom wandeln – 33,3 Prozent Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit der Firma EVG eine neue Mehrfachsolarzelle auf Silicium entwickelt, mit der genau ein Drittel der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann.
29.03.2018
Festkörperphysik
Die Grenzen der Haftung
Konstanzer Physiker können in Kollaboration mit italienischen Fachkollegen zeigen, dass die Haftreibung zwischen Oberflächen völlig verschwinden kann
26.02.2018
Festkörperphysik
Sonnenkonzentrat aus der Folie
Bisher sind es nur Zukunftsvisionen: Farbige Hausfassaden etwa, die auch bei miesem Wetter Sonnenstrom produzieren, oder Elektroautos, die ihre Batterien selbst im Schatten mit solaren Ampères laden können.
11.07.2017
Festkörperphysik
Wie ein Material zum Supraleiter wird: Phänomen der Elektronenpaare beobachtet
Hochtemperatur-Supraleiter sind Materialien, die bei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren und damit Strom ohne Verlust transportieren können - und das im Gegensatz zu konventionellen Supraleitern bereits bei vergleichsweise hohen Temperaturen.
30.06.2017
Festkörperphysik
TU Ilmenau und Physikalisch-Technische Bundesanstalt entwickeln neue Waage für das neue Kilogramm
Wenn nächstes Jahr, 2018, das Kilogramm neu definiert wird, werden die Technische Universität Ilmenau und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt die Waage entwickelt haben, die nötig ist, um es zu messen: die Planck-Waage.
30.06.2017
Festkörperphysik
Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
Großes Potenzial für Anwendungen in der gezielten Pharmakotherapie und zur Herstellung maßgeschneiderter Nanoteilchen
23.11.2015
Festkörperphysik - Klassische Mechanik
Wie begann die Plattentektonik auf der Erde?
Mantelplume setzte das erste Abtauchen der Lithosphärenplatte in Gang.
30.01.2015
Festkörperphysik - Quantenphysik - Relativitätstheorie
Wie allgemein ist die Allgemeine Relativitätstheorie?
Egal ob Feder, Apfel oder Ziegelstein: Im Vakuum, wenn es keine Reibung mehr gibt und nur noch die Gravitation wirkt, fallen alle Körper gleich schnell.

News der letzten 7 Tage     7 Meldungen


25.11.2020
Astrophysik - Biophysik
Gesund bis zum Mars
Tübinger Wissenschaftlerin untersucht mit internationalem Weltraumforschungsteam die Einflüsse der Raumfahrt auf den menschlichen Körper.
23.11.2020
Galaxien - Milchstraße
Stammbaum der Milchstraße
Galaxien wie die Milchstraße sind durch das Verschmelzen von kleineren Vorgängergalaxien entstanden.
23.11.2020
Quantenphysik
Nanodiamanten vollständig integriert kontrollieren
Physikerinnen und Physikern ist es gelungen, Nanodiamanten vollständig in nanophotonischen Schaltkreisen zu integrieren und gleichzeitig mehrere dieser Nanodiamanten optisch zu adressieren. Die Studie schafft Grundlagen für zukünftige Anwendungen im Bereich der Quantensensorik oder Quanteninformationsverarbeitung.
25.11.2020
Sterne - Teilchenphysik
Der Sonne ein Stück näher
Der Borexino-Kollaboration, an der auch Wissenschaftler der TU Dresden beteiligt sind, ist es nach über 80 Jahren gelungen, den Bethe-Weizsäcker-Zyklus experimentell zu bestätigen.
19.11.2020
Sterne - Astrophysik - Physikgeschichte
Entfernungen von Sternen
1838 gewann Friedrich Wilhelm Bessel das Wettrennen um die Messung der ersten Entfernung zu einem anderen Stern mit Hilfe der trigonometrischen Parallaxe - und legte damit die erste Entfernungsskala des Universums fest.
19.11.2020
Plasmaphysik - Quantenoptik
Was Sterne zum Leuchten bringt
Internationales Forschungsteam der Universitäten in Berkeley, Madrid und Jena sowie des Institut Polytechnique de Paris beobachtet in Laborversuchen nichtlineare Ionisationsvorgänge in heißen dichten Plasmen.
19.11.2020
Elektrodynamik - Teilchenphysik
Einbahnstraße für Elektronen
Ein internationales Wissenschaftlerteam hat experimentell beobachtet, dass konischen Durchschneidungen - ein quantenmechanisches Phänomen - für einen ultraschnellen, gerichteten Energietransport zwischen benachbarten Molekülen eines Nanomaterials sorgen.