Gesundheit: Miniaturisierung: Im Tunnel durchs Röhrchen

An oder aus: Strom fließt oder Strom fließt nicht. Nach diesem Prinzip funktionieren selbst komplizierteste Computer, bei denen winzige Transistoren den Stromfluss regeln. Millionen von ihnen passen bereits heute auf einen Computerchip. Doch Forscher arbeiten daran, diese winzigen Schalter weiter zu verkleinern - nicht nur um Platz, sondern auch um Energie zu sparen.

An der Universität von Delft ist es nun einem Team um den Physiker Cees Dekker gelungen, einen Transistor zu bauen, bei dem ein einziges Elektron den Unterschied zwischen an oder aus bestimmt. Der Transistor besteht nur aus einem einzigen Molekül, das aus vielen Kohlenstoffatomen aufgebaut ist. Es handelt sich um eine kleine Röhre, deren Struktur einer zusammengerollten Honigwabe ähnelt. In ihr können - wie in einem Metalldraht - Elektronen wandern, so dass Strom fließt. Der Kohlenstoffschlauch, in dem nur sehr wenige Elektronen fließen, ist mit einem Durchmesser von lediglich einem Millionstel Millimeter viel feiner als eine metallische Leitung.

Die Wissenschaftler haben die Röhre nun an zwei Stellen verbogen, um durch die Krümmungen eine Barriere für wandernde Elektronen herzustellen. Doch dieses Hindernis ist nicht unüberwindbar, da die Ladungsträger durchtunneln können. Die Elektronen haben diese Fähigkeit, da sie nicht nur kleine Kugeln sind, sondern gleichzeitig auch Wellenfunktion haben. Ähnlich wie eine Wasserwelle durch eine Strohwand sickert, können auch Elektronen teilweise die Hürde überwinden. Sie befinden sich dann gleichzeitig auf beiden Seiten des Walls. Wenn sich nun das Elektron an seine Kugelfunktion erinnert, muss es sich für den Verbleib an einem der beiden Orte entscheiden. Je dünner die Mauer und je tiefer gelegen die andere Seite des Walls, umso attraktiver erscheint es dem Elektron, die Seiten zu wechseln.

Die Forscher erhöhen beziehungsweise erniedrigen nun die Anziehungskraft des Abschnitts zwischen den beiden Krümmungen, indem sie dort verschiedene Spannungen anlegen. Sie können also je nach gewählter Spannung beeinflussen, ob ein einzelnes Elektron die Barrieren überwindet oder nicht. Ein Ein-Elektronen-Schalter, der sogar bei Raumtemperatur funktioniert, ist somit gebaut.

Bisher hergestellte Schalter dieser Art sind meist aus Metall und nutzen ebenfalls den Tunneleffekt, haben aber den Nachteil, dass sie nur bei sehr tiefen Temperaturen zufrieden stellend funktionieren. Bei höheren Temperaturen haben die Elektronen schon zu viel Energie, so dass sie die Barriere unkontrolliert überwinden. Mit den kleinen Kohlenstoffröhrchen als Leitermaterial lassen sich diese Probleme lösen. Bis zur Serienproduktion ist es allerdings noch ein langer Weg. Um die Nanotransistoren herzustellen, muss man mühselig ein geeignetes Röhrchen suchen, das auf komplizierte Weise mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops gebogen werden muss.

swm