Wat zou er gebeuren als er geen elektrische stroom meer zou vloeien, maar in plaats daarvan gedruppeld? Deze vraag onderzochten onderzoekers van Christian Ast van het Max Planck Institute for Solid State Research. Hun onderzoek omvatte het afkoelen van hun scanning tunneling microscoop tot een vijftienduizendste graad boven het absolute nulpunt. Bij deze extreem lage temperaturen de elektronen onthullen hun kwantumkarakter. De elektrische stroom is dus een korrelig medium, bestaande uit losse deeltjes. De elektronen druppelen door een geleider als zandkorrels in een zandloper, een fenomeen dat verklaard kan worden met behulp van kwantumelektrodynamica.

Stromend water uit een kraan voelt als een homogeen medium - het is onmogelijk om onderscheid te maken tussen de afzonderlijke watermoleculen. Precies hetzelfde geldt voor elektrische stroom. Er stromen zoveel elektronen in een conventionele kabel dat de stroom homogeen lijkt. Hoewel het niet mogelijk is om afzonderlijke elektronen te onderscheiden, kwantummechanica zegt dat ze zouden moeten bestaan. Dus hoe gedragen ze zich? Onder welke omstandigheden stroomt de stroom niet als water door een kraan, maar eerder druppelt als zand in een zandloper?

De zandloperanalogie is zeer geschikt voor de scanning tunneling microscoop, waar een dunne, puntige punt scant over het oppervlak van een monster zonder het daadwerkelijk aan te raken. Toch vloeit er een kleine stroom, omdat er een kleine kans is dat elektronen vanuit de puntige punt in het monster "tunnelen". Deze tunnelstroom is een exponentiële functie van de scheiding, daarom bevindt de spitse punt zich slechts enkele Ångström (een tienmiljoenste millimeter) boven het monster.

Dankzij minieme variaties in de tunnelstroom kunnen onderzoekers individuele atomen en atomaire structuren op oppervlakken oplossen en hun elektronische structuur onderzoeken. Scanning tunneling microscopen zijn daarom enkele van de meest veelzijdige en gevoelige detectoren in de hele vastestoffysica.

Zelfs onder deze extreme omstandigheden - een kleine stroom van minder dan een miljardste van de stroom die door een gloeilamp van 100 watt gaat - stromen er nog steeds miljarden elektronen per seconde. Dit is te veel om individuele elektronen te onderscheiden. De temperatuur was gedaald tot ongeveer vijftienduizendste graad boven het absolute nulpunt (d.w.z. min 273,135 °C of 15 mK) voordat de wetenschappers zagen dat de elektrische stroom uit individuele elektronen bestaat.

Bij deze lage temperatuur zeer fijne structuren, die de onderzoekers niet hadden verwacht, verschijnen in het spectrum. "We zouden deze nieuwe structuren alleen kunnen verklaren door aan te nemen dat de tunnelstroom een ​​korrelig medium is en niet langer homogeen, " zegt Ast, die aan het hoofd staat van de groep die met de scanning tunneling microscoop werkt. Dit is dus de eerste keer dat de volledige kwantumaard van elektronisch transport in de scanning tunneling microscoop zich laat zien.

Om dit kwantummechanische fenomeen volledig te kunnen verklaren, moet daarom ook de elektrische lading gekwantiseerd worden. "De theorie waarop dit is gebaseerd, is begin jaren negentig ontwikkeld. Nu de conceptuele en praktische problemen met betrekking tot de toepassing ervan op scanning tunneling microscopen zijn opgelost, het is mooi om te zien hoe consequent theorie en experiment bij elkaar passen, " zegt Joachim Ankerhold van de Universiteit van Ulm, die de theoretische basis hebben bijgedragen.

Naast een uitgebreide theorie, experimenten van dit type vereisen een aangepaste laboratoriumomgeving die externe verstoringen in hoge mate vermindert. Sinds eind 2012 er is een nieuw precisielaboratorium in gebruik genomen op de campus van de Max Planck-instituten in Stuttgart; het biedt een bijna storingsvrije laboratoriumomgeving voor zeer gevoelige experimenten zoals de mK scanning tunneling microscoop.

Het instrument bevindt zich in het precisielaboratorium in een doos voorzien van zowel akoestische als elektromagnetische afscherming op een trillingsontkoppelde betonnen sokkel. "We willen het gebruiken om nieuwe, onbekend terrein – wat we met dit experiment zeer succesvol hebben gedaan, " zegt Klaus Kern, Directeur bij het Max Planck Instituut voor Solid State Research.

Elektronen hebben hun kwantumkarakter al aangetoond. Terwijl ze door kwantumdots worden getransporteerd, bijvoorbeeld, de stroom wordt specifiek geblokkeerd zodat de elektronen afzonderlijk verschijnen. Dit effect werd duidelijk in de scanning tunneling microscoop door deze simpelweg af te koelen tot extreem lage temperaturen, echter. "Het tunneleffect heeft hier zeker de kwantumlimiet bereikt, ", zegt teamlid Berthold Jäck. De onderzoekers willen dit niet als een beperking zien, echter. "Deze extreem lage temperaturen zorgen voor een onverwachte rijkdom aan details, waardoor we supergeleiding en interacties tussen licht en materie veel beter kunnen begrijpen, ", zegt Christian Ast.