Elementarladung ist gar nicht so elementar
Weizmann-Institut fand elektrische Teilladungen Von Siegfried Neumann
Die elektrische Elementarladung ist per Definition die Ladung eines Elektrons. Bislang war das auch die kleinste in der Natur vorkommende negative elektrische Ladung. Doch vor 15 Jahren behaupteten Physiker in einer kühnen Theorie, daß unter bestimmten Bedingungen ein elektrischer Strom sich so verhielte, als bestünde er aus Bruchteilen von Elektronenladungen.
In einem Experiment, das in der Ausgabe der Zeitschrift »Nature« (11. September 1997) beschrieben wird, haben Physiker des israelischen Weizmann-Institutes nun Teilladungen gemessen, die nur ein Drittel der Ladung eines Elektrons betragen.
Seit 80 Jahren, als der amerikanische Physiker Robert Millikan als erster die Ladung eines Elektrons maß, gilt ihr Wert allgemein als Grundeinheit der elektrischen Ladung, elektrischer Strom als die Bewegung unteilbarer einfach negativ geladener Teilchen. Ein elektrischer Strom, der aus Bruchteilen einer Elektronenladung besteht, erscheint aus dieser Sicht
genauso absurd, als ob man versuchen würde, eine Menschenmenge aus »teilweisen« Menschen oder den Straßenverkehr aus »teilweisen« Autos zu beschreiben.
Wenn jedoch Elektronen stets als »ganz« betrachtet werden, läßt sich unter bestimmten Bedingungen ihr Verhalten nicht mehr erklären. So zum Beispiel beim gebrochenzahligen Quanten-Hall-Effekt, der in starken Magnetfeldern beobachtet wird.
Im Jahr 1982 stellte der US-amerikanische Physiker Robert Laughlin eine Theorie vor, die diesen Effekt erklärte und die höchst komplexe Elektron-Elektron-Wechselwirkung auf eine einfache Weise beschreibt. Für die unteilbare Ladung war in seiner Theorie jedoch kein Platz mehr. Er behauptete, daß ein elektrischer Strom aus Bruchteilen elektronischer Ladungen eines Elektrons bestehen kann - und zwar stets aus Bruchteilen mit ungeradem Nenner, d. h. ein Drittel, ein Fünftel, ein Siebtel etc.
In dem neuen Experiment konstruierten Wissenschaftler am Weizmann-Institut ein ausgeklügeltes System zur Messung solcher elektrischer Teilladungen so sie existieren.
Das System ermöglicht die Messung des sogenannten Schrotrauschens. Im Alltag entsteht dieses Rauschen durch zufällige Schwankungen in der Anzahl und Geschwindigkeit von Elektronen und verursacht Knackgeräusche im Radio und Schneebilder im Fernsehen. Unter besonderen Laborbedingungen läßt sich das Schrotrauschen analysieren, um die Zusammensetzung des elektrischen Stroms aufzuzeigen. Dies ist möglich, da das Rauschen eine Art »Welligkeit« aufweist, die der Elektronenstrom in einem Leiter hinterläßt. Die Größe jedes »Wellenbergs« ist proportional zu der Einheit der elektrischen Ladung: Je kleiner der Wellenberg, desto kleiner die Ladung und umgekehrt.
Die Wissenschaftler führten einen elektrischen Strom durch einen Halbleiter in einem starken Magnetfeld, unter Bedingungen, in denen sich der gebrochenzahligen Quanten-Hall-Effekt beobachten läßt. Sie benutzten spezielle Geräte, um trotz hoher Meßempfindlichkeit alle externen Rauschquellen auszuschließen. Das Schrotrauschen, das der Strom erzeugt, wurde nun verstärkt und gemessen. Es stellte sich heraus, daß der Strom aus Ladungen bestehen mußte, die ein Drittel einer Elektronenladung betragen.
Die nächste Herausforderung der Wissenschaftler besteht darin, Bedingungen zu schaffen, die das Auftreten noch kleinerer Ladungen - eines Fünftel einer Elektronenladung - ermöglichen und diese zu messen. Dazu muß der Versuchsaufbau noch weiter verfeinert werden, denn diese winzigen Ladungen verursachen kleinere Wellen, die folglich auch schwieriger zu messen sind.
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