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View Full Version : Technik - Wie Metalle durchsichtig werden



Cobra
14.08.2006, 20:12
Optische Version des Tunneleffekts der Quantenmechanik lässt Licht durch eine Silberschicht dringen
Wenn ein undurchsichtiger Metallfilm zwischen zwei durchsichtige Isolatoren gepackt wird, können Lichtstrahlen ihn unter bestimmten Bedingungen ohne Verluste durchdringen. Britische Physiker haben diese neue Variante des Tunneleffekts in einfachen Experimenten mit zwei Prismen aus Glas entdeckt. Die Forscher glauben, dass dieses Phänomen auch ein verlustfreies Tunneln von Elektronen in elektronischen Bauteilen ermöglichen könnte.

Stark vereinfacht ausgedrückt besagt der Tunneleffekt der Quantenmechanik, dass ein Teilchen eine gewisse Wahrscheinlichkeit besitzt, aus einem Potenzial zu entkommen, selbst wenn es nicht die zum Erklimmen des Potenzialgipfels nötige Energie besitzt. Man stelle sich etwa eine Kugel vor, die aus einem Tal über einen Berg rollen soll. Im klassischen Alltag muss die Bewegungsenergie der Kugel am Grund des Tals mindestens so groß sein, dass sie den Gipfel des Berges erreichen kann, um auf der anderen Seite herabzurollen. In der Quantenwelt hingegen könnte die Kugel direkt durch den Berg hindurchtunneln, ohne den Gipfel erreichen zu müssen.
Dieser Tunneleffekt steckt hinter dem Alphazerfall radioaktiver Teilchen und findet auch in Transistoren in Computerprozessoren Anwendung. Selbst in der Optik besteht eine Analogie: So kann ein Lichtstrahl, der vom Innern eines Glasprismas an der Grenzschicht mit Luft unter einem flachen Winkel vollständig reflektiert wird, mithilfe eines Glasblocks in unmittelbarer Nähe der reflektierenden Trennschicht aus dem Prisma ausgekoppelt werden.

Dies hängt damit zusammen, dass auch bei Totalreflexion immer noch ein Teil des elektromagnetischen Feldes in die Luft eindringt, in Form einer exponentiell abklingenden Welle, die keine Energie aus dem Prisma heraustransportiert. Sobald dieses Feld jedoch auf einen zweiten Glasblock trifft, wird es in eine sich in diesem ausbreitende Welle verwandelt – die Photonen des Lichts können so die zwischen den Glaskörpern liegende Luftschicht durchtunneln.

Der herkömmliche Tunneleffekt kann niemals die ursprüngliche Reflexion auf Null reduzieren. Roy Sambles und seine Kollegen von der Universität von Exeter haben nun allerdings entdeckt, dass eine komplizierte Zwischenschicht aus mehreren dünnen Filmen zwischen zwei Prismen theoretisch die Effizienz des Tunneleffekts für bestimmte Wellenlängen auf 100 Prozent erhöhen kann, so dass die Reflexion des einfallenden Strahls vollkommen ausgeschaltet wird.
In ihrem Experiment benutzten die Forscher zwei Prismen, die mit einer dünnen Schicht eines harten, durchsichtigen Isolators überzogen waren. Die Prismen wurden dann mittels eines vierzig Nanometer dünnen Films aus Silber aneinander geklebt. Als ein Lichtstrahl unter einem Winkel, bei dem Totalreflexion auftreten sollte, aus einem Prisma in die Schichtenanordnung eingespeist wurde, konnte bis zu 35 Prozent der Intensität des Strahls in dem zweiten Prisma aufgefangen werden – obwohl Silber für Licht der verwendeten Wellenlänge eigentlich undurchlässig ist.
Die Forscher sind überzeugt, dass theoretisch der gesamte Strahl die Zwischenschicht durchtunneln sollte. Dies wird durch mehrfache Reflexionen des Strahls an den inneren Oberflächen der Glas-Isolator-Silber-Isolator-Glas-Multischicht ermöglicht, so die Forscher. Eine erhöhte Kontrolle bei der Herstellung der Schichten würde die experimentell demonstrierte Effizienz daher beträchtlich erhöhen.
Die Forscher glauben, dass diese effiziente Version des Tunneleffekts auch in der Mikroelektronik für Elektronen mithilfe von dünnen Schichtanordnungen verschiedener Halbleiter eingesetzt werden könnte.