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Von Elektronen, die sich am liebsten in Tälern niederlassen

18. September 2022 04:55 Uhr

Maximilian Schober
Maximilian Schober beschäftigt sich mit Halbleitern.

LINZ. Maximilian Schober geht als einer von drei Jungforschern ins Rennen um den Wilhelm-Macke-Award.

Wer Smartphone, Powerbank oder Kaffeemaschine nutzt, kommt an ihnen nicht vorbei: an den Halbleitern. Sie sind die wichtigste Basis der Bauelemente in Computern. Maximilian Schober vom Institut für Theoretische Physik, Abteilung für Vielteilchensysteme, hat ihre fundamentalen Aspekte studiert.

Computerchips werden immer kleiner und leistungsfähiger. Doch langsam stößt die Physik an ihre Grenzen. Um immer mehr auf immer kleineren Flächen unterzubringen, werden zunehmend neue Forschungsansätze nötig. Häufig verwendet man dabei sehr, sehr flache Systeme. Um fortschrittliche Technologien zu entwickeln, muss insbesondere das Verhalten der Elektronen verstanden werden: Diese "bilden die essentielle Grundlage für das Funktionieren der Halbleiter", sagt Schober. Bei seinen Forschungen sah er sich mit zwei Herausforderungen konfrontiert: Einerseits muss gleichzeitig über viele Teilchen Buch geführt werden, andererseits folgen Elektronen den Regeln der Quantenphysik.

"Immobilienvermittlung"

In seiner Masterarbeit forschte Maximilian Schober an Elektronen, die in extrem dünnen Schichten verschiedener Halbleitern eingesperrt sind. Zwingt man die Teilchen in ein solches Habitat, nehmen sie unterschiedliche Eigenschaften an. Eine davon ist das sogenannte Valley, vom englischen Wort für "Tal".

Da in diesen Tälern ihre Energie besonders niedrig ist, siedeln sich die Elektronen dort am liebsten an. Mit elektrischer Spannung kann man ihnen bestimmte Valleys noch "attraktiver" machen, sodass die Elektronen bevorzugt dorthin stürmen. Außerdem besitzen Elektronen eine eigene Drehrichtung, "Spin" genannt, als typische Quanteneigenschaft: Mit Magnetfeldern zwingt man sie in zwei entgegengesetzte Richtungen. Mischt man nun Spins und Valleys, ergibt sich eine Vielzahl verschiedener Regimes, die von Schober untersucht wurden. Sein Fokus lag dabei auf der Kopplung zwischen den Elektronen, die wesentlich von deren Spins und Valleys abhängt. Bei seiner Arbeit erlangte der junge Forscher spannende Erkenntnisse: Das Wechselspiel von Spin und Valley bewirkt eine weitere quantenmechanische Eigenschaft. Außerdem müssen lang- und kurzreichweitige Störungen widerspruchsfrei verknüpft werden.

"Das Schöne an meiner Forschung war, dass wir die von uns aufgestellten Theorien auch gleich mit von mir eigens berechneten Daten füttern konnten. So hat man alles aus einem Guss", freut sich Schober, der seine Arbeit im Ringen um den Macke-Award vorstellen wird. Seine Ergebnisse könnten für neue Arten von Elektronik nützlich sein: In der sogenannten "Spintronic" und "Valleytronic" basieren Schaltungen auf Spin und Valley anstatt wie bisher auf Ladungen. Das öffnet Tür und Tor für neue Technologien.

Wilhelm-Macke-Award

Wilhelm Macke war Gründungsprofessor des Linzer Physikstudiums, bekannt war er für seine humorvollen Vorlesungen. Der nach ihm benannte Wilhelm-Macke-Award wird am 21. September um 14 Uhr im Zirkus des Wissens am Campus der Kepler-Universität verliehen. Ausgezeichnet werden herausragende Abschlussarbeiten aus dem Bereich Physik. Der Sieger wird dabei vom Publikum gekürt.

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