Beobachtung des Übergangs von klassischen zu Landauer-Widerstands-Dipolen
Ein elektrischer Strom besteht aus Elektronen, die durch einen Leiter fließen. Dabei können die Elektronen auf Materialdefekte, wie winzige Löcher, treffen, die sie zwingen, um diese Defekte herumzufließen, wodurch sich der elektrische Widerstand des Leiters erhöht. Forscher des Forschungszentrums Jülich haben nun aufgedeckt, wie sich der Widerstand, der durch solche Defekte entsteht, systematisch mit abnehmender Defektgröße verändert. Dazu verwendeten sie ein Rastertunnelmikroskop, um einzelne Löcher in einer extrem dünnen Bismuth-Schicht zu untersuchen.
Um größere Löcher herum kollidieren Elektronen mehrfach, während sie um sie herumfließen. Dies ist vergleichbar mit Menschen, die sich in einer Menschenmenge um ein Hindernis drängen. In diesem sogenannten diffusiven Transportszenario wird der Widerstand kleiner, je kleiner das Loch ist. Etwas anderes geschieht jedoch bei sehr kleinen Löchern von nur wenigen Nanometern Größe. Die meisten Elektronen können sie passieren, ohne zu kollidieren. Allerdings werden Elektronen, die frontal auf die Barriere treffen, reflektiert und prallen zurück. In diesem ballistischen Szenario nimmt der Widerstand nicht ab, wenn die Lochgröße weiter verringert wird. Stattdessen erreicht er einen endlichen Mindestwert, dem sogenannten Landauer-Widerstands-Dipol, benannt nach dem Physiker Rolf Landauer, der diesen Effekt vor über 60 Jahren vorhergesagt hatte.
Die Forscher haben nun systematisch den Übergang zwischen beiden Szenarien aufgedeckt und festgestellt, dass dieser bei Lochgrößen von etwa fünf Nanometern stattfindet. Unter Verwendung von Landauers Theorie konnten die Forscher den Fermi-Wellenvektor abschätzen, der Informationen über den Impuls von Leitungselektronen liefert, der normalerweise nur schwer zugänglich ist. Diese Studie ist die erste, die untersucht, wie sich der Elektronenfluss von diffusivem zu ballistischem Transport um sehr kleine Materialdefekte ändert. Das Verständnis dieses Verhaltens ist wichtig für die Gestaltung zukünftiger elektronischer Bauelemente im Nanometerbereich.
S. Kovalchuk, D. Kämpfer, J. K. Hofmann, T. Balashov, V. Cherepanov, B. Voigtländer, I. Morawski, F. S. Tautz, and F. Lüpke "Imaging the transition from diffusive to Landauer resistivity dipoles" Phys. Rev. B 114, 165411 (2026)
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Dr. Felix Lüpke
Group leader at Peter Grünberg Institute (PGI-3)