Supraleiter-Transistor aus Nanoröhrchen

  • 22. February 2006


Supraleiter-Transistor aus Nanoröhrchen

Kombiniert man supraleitende Metalle mit Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, so lässt sich ein Transistor bauen.

Delft (Niederlande) - Winzige Quantenpunkte weisen einen Weg auf, zukünftige Computerchips noch schneller und ihre Strukturen noch kleiner zu gestalten. Von einer Serienfertigung noch weit entfernt analysieren Physiker derzeit das grundlegende Schaltverhalten dieser filigranen Transistoren. Niederländische Wissenschaftler schlugen nun eine Kombination aus supraleitenden Metallen und Nanoröhrchen aus Kohlenstoff vor. Diesen potenziell sehr schnellen und Strom sparenden Ansatz beschreiben sie in der Zeitschrift "Nature".

Der Transport von Elektronen durch Nanostrukturen kann durch die Verwendung von supraleitenden Kontakten stark beeinflusst werden. "Wenn die Schnittstelle zwischen der Nanostruktur und dem Supraleiter ausreichend transparent ist, kann ein Strom verlustfrei durch das gesamte Bauteil fließen", erklären Pablo Jarillo-Herrero und seine Kollegen vom Kavli Institut für Nanowissenschaften an der Technischen Universität Delft. Genau diese Eigenschaft nutzten sie aus und entwickelten einen Transistor, der auf dem Josephson-Effekt beruht. Zwei Supraleiter werden dabei durch eine wenige Nanometer dünne, nicht-supraleitende Barriere getrennt. So können die für die Supraleitung verantwortlichen Cooper-Paare von einem Supraleiter durch die Barriere in den anderen tunneln. Eine derartige Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter (SNS)- Anordnung nennt man Josephson-Kontakt.

Abb.: a) Variation des kritischen Stroms I C bei zugehöriger Gate-Spannung V G. b) Farbdarstellung von dV/dI bei T = 30 mK (schwarz=0, d.h. supraleitender Bereich; dV/dI nimmt von schwarz über dunkelblau und weiß bis rot immer mehr zu, log. Darstellung). (Quelle: TU Delft)

Wurden in bisherigen Versuchen Metalle als normalleitende Barriere eingesetzt, verwendete das Delfter Team nun leitende Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Über eine hauchdünne Schicht aus Titan (10 Nanometer) gewährleisteten sie einen guten elektrischen Kontakt zu einer etwas dickeren (60 Nanometer) Elektrode aus Aluminium. Abgekühlt auf unter 1,3 Kelvin wird das Leichtmetall supraleitend. Der supraleitende Fluss der Elektronen durch diese Schichten ist allerdings nur bis zu einer kritischen Stromstärke gegeben. Übersteigt der Strom einen kritischen Wert von wenigen Nanoampère, kommt es zum Aufbrechen von Cooper-Paaren in der Barriere und nur noch ein Teil des Stromes wird von Cooper-Paaren getragen, der restliche kommt von tunnelnden Einzelelektronen. Dieser Effekt lässt sich prinzipiell für ein Schalten des Transistors nutzen.

In ihrem Experiment beobachteten Jarillo-Herrero und Kollegen nun eine Modulation dieser kritischen Stromstärke zwischen 0 und 3 Nanoampère. Diese lässt sich über die angelegte Gate-Spannung mit Werten um 2,5 Volt kontrollieren. "Solch ein Josephson-Transistor-Mechanismus, verursacht durch die diskrete Natur der Energieniveaus in der Nanostruktur des Nanoröhrchens, konnte bisher nicht beobachtet werden", so die Forscher.

Schon heute werden Josephson-Kontakte häufig als extrem schnelle Schaltelemente und sehr genaue Spannungsstabilisatoren eingesetzt. Außerdem werden sie in Systemen zur Messung extrem kleiner magnetische Flüsse (SQUIDs) verwendet. Nanoröhrchen statt Metalle als Tunnelbarriere zeigten nun eine viel versprechende Modulation der kritischen Stromstärke, die den Übergang zwischen supraleitenden und mit einem elektrischen Widerstand behafteten Tunnelstrom bestimmt. Zu konkreten Anwendungen, beispielsweise für schnellere Transistoren, äußerten sich die Delfter Physiker allerdings noch nicht.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

Weitere Literatur:

  • Tinkham, M. Introduction to Superconductivity (McGraw-Hill, Singapore, 1996).  
  • Sapmaz, S. et al. Electronic excitation spectrum of metallic carbon nanotubes. Phys. Rev. B 71, 153402 (2005).  
  • Galaktionov, A. V. & Zaikin, A. D. Quantum interference and supercurrent in multiple-barrier proximity structures. Phys. Rev. B 65, 184507 (2002).  
  • Sohn, L. L., Kouwenhoven, L. P. & Schön, G. (Hrsg.) Mesoscopic Electron Transport (Kluwer, Dordrecht, 1997).  
  • Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G. & Eklund, P. C. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes (Academic, San Diego, 1996).
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