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Horst Ludwig Störmer (* 1949), Deutschland

Nobelpreis für Physik 1998

Porträtbild
Bild: Horst Ludwig Störmer [1]

für die Entdeckung einer neuen Art von Quantenflüssigkeit mit fraktional geladenen Anregungen (gemeinsam mit Robert B. Laughlin und Daniel C. Tsui)

Horst Ludwig Störmer wuchs in Sprendlingen nahe seiner Geburtsstadt Frankfurt am Main auf und besuchte das Gymnasium in Neu-Isenburg. Nach dem Abitur wollte er ein Architekturstudium an der TU Darmstadt beginnen, schrieb sich dann aber für Bauwesen ein, da er den Anmeldezeitraum verpasst hatte. Bald stellte er jedoch fest, dass er kein großes Talent in diesem Bereich besaß, weshalb er sich an der Universität Frankfurt wieder seinem schon früher bevorzugten Fach, der Physik, zuwenden wollte. Da er aber auch hier den Anmeldezeitraum verpasste, begann er mit einem Mathematikstudium und wechselte im folgenden Jahr (1968) zur Physik. Nach der Diplomarbeit 1974 unter Anleitung von Eckhardt Hoenig - in dessen Arbeitsgruppe zu dieser Zeit auch Gerd Binnig (Nobelpreis für Physik 1986) tätig war - ging Störmer an das Hochfeld-Magnetlabor in Grenoble. Im Anschluss an seine Promotion 1977 wechselte er auf Empfehlung seines Doktorvaters Hans-Joachim Queisser als Postdoc an die Bell Laboratories in New Jersey, USA. Nachdem er dort schon in den ersten Wochen die Idee der sogenannten Modulationsdotierung im Zusammenhang mit der Erzeugung zweidimensionaler Elektronengase mit ausgearbeitet hatte, erhielt er bereits 1978 eine Festanstellung. 1981 wollte Störmer gemeinsam mit seinem Kollegen Daniel Tsui einen Halbleiterchip mit Modulationsdotierung im Hochfeld-Magnetlabor des MIT in Cambridge auf Anzeichen eines Elektronenkristalls untersuchen - sie entdeckten stattdessen den fraktionalen (gebrochenzahligen) Quanten-Hall-Effekt.

Störmer wurde in seiner Zeit bei den Bell Labs stufenweise bis zur Position des Direktors des Physikalischen Forschungslabors (1991) befördert, von der er 1997 zugunsten einer Physik-Professur an der Columbia Universität in New York zurücktrat.[2]

Im Rahmen seiner Tätigkeit bei den Bell Labs entstanden einige Patentanmeldungen, in denen Horst Ludwig Störmer als Erfinder genannt ist.

Elektronenlinse

Strukturen, in denen sich Elektronen effektiv nur in zwei Dimensionen bewegen können, werden in der Halbleitertechnik als zweidimensionale Elektronengase (2DEG) bezeichnet. In der Figur 1 aus pdf- Datei US 5 051 791 A ist ein Halbleiterbauelement 20 dargestellt, das einen ein derartiges 2DEG erzeugenden GaAs/AlGaAs-Heteroübergang umfasst.

PatentzeichnungBild vergrößert anzeigenFigur 1: Halbleiterbauelement mit "Brechungsmittel" für Elektronen (aus US 5 051 791 A )

Auf dem Bauelement sind metallisierte Bereiche 22, 33, 33' sowie 25, 34, 34' zur Elektronenemission bzw. zum Sammeln der Elektronen vorgesehen. Die unter Vorspannung stehenden Bereiche 33, 33' und 34, 34' definieren planare Engstellen 35, 36, welche die Elektronen auf ihrem Weg zwischen den Kontakten 22 und 25 passieren müssen. Zwischen diesen dient ein metallisierter Bereich 39 als Kontrollmittel, das eine Änderung des elektrostatischen Potentials in dem unter ihm liegenden Teil des Bauelements erlaubt. Hierdurch wird wiederum die Elektronendichte im 2DEG beeinflusst, was sich auf Elektronen, die diesen Teil durchqueren wie eine lokale Änderung des "Brechungsindex" auswirkt, so dass sich der Bahnwinkel dieser Elektronen (in Analogie zum Lichtstrahlwinkel in der linearen Optik) ändert. Über die Einstellung der an das Kontrollmittel angelegten Spannung kann somit der "Brechungsindex" variiert werden, so dass sich beispielsweise "Linsen" mit veränderbarer Brennweite realisieren lassen.

Der als Sammellinse wirkende, zentrale Bereich der Metallisierung 39 besitzt eine konkave Form, da er - im Gegensatz zur üblichen Situation in der Optik - den "Brechungsindex" verkleinert. Durch dieses Kontrollmittel lässt sich der Elektronenfluss also mehr oder weniger auf den Sammelbereich richten, so dass sich dort der Kollektorstrom entsprechend ändert, was den Einsatz des Bauelementes als Schalter oder Logikbaustein ermöglicht.

Phononenfilter

Eine Apparatur zur selektiven Transmission bzw. Reflexion hochfrequenter akustischer Wellen (Phononen) durch ein sogenanntes akustisches Übergitter ist in pdf- Datei US 4 349 796 A beschrieben. Gemäß des oberen Teils der Figur 2 besteht eine solche Apparatur prinzipiell aus Mitteln 10, 12 zur Erzeugung bzw. Detektion von Phononen, welche über ein Übertragungsmittel 14 miteinander verbunden sind. Das Übertragungsmittel umfasst ein einkristallines Halbleitersubstrat 48, Übergangschichten 50, 52 (bspw. jeweils GaAs) und ein akustisches Übergitter 16, wobei letzteres eine periodische Struktur von Schichtenpaaren 44, 46, etc. (bspw. GaAs/AlGaAs) gleicher Dicke aufweist.

PatentzeichnungBild vergrößert anzeigenFigur 2: Halbleiterstruktur zur Phononenfilterung (oben) und hierauf basierendes Spektrometer (unten), aus US 4 349 796 A

Im Übergitter benachbarte Schichten unterscheiden sich somit in ihrer akustischen Impedanz, welche von der Materialdichte und der Schallgeschwindigkeit im Material abhängt. Die Periodizität des Übergitters bewirkt einen Filterungsprozess derart, dass nur Phononen einer solchen Wellenlänge, für die die Braggsche Beugungsbedingung erfüllt ist, reflektiert bzw. transmittiert werden. Diese Frequenzselektivität macht sich das in der Figur 2 (unten) gezeigte Spektrometer zunutze, um das Spektrum einer Phononenquelle S zu bestimmen. Diese ist zusammen mit einer Vielzahl von Detektoren D1-Dn auf der Oberfläche 86 eines Halbleiterelements 82 angeordnet, das ein akustisches Übergitter 80 aufweist. Die Quelle S emittiert Phononen unterschiedlicher Wellenlängen in verschiedene Richtungen, wobei für jede Wellenlänge nur ein bestimmter Winkel ?i die Braggsche Bedingung erfüllt und die entsprechenden Phononen 90 somit nur von einem der Detektoren Di empfangen werden. Phononen 88, für welche diese Bedingung nicht erfüllt ist, passieren das Übergitter und werden an der hierfür aufgerauhten unteren Oberfläche 84 des Substrats absorbiert oder gestreut.

Wie in der obigen Beschreibung bereits angedeutet, ist die Verwendung eines derartigen Übergitters als Monochromator für transmittierte Phononen (beispielsweise in einem akustischen Abbildungssystem) ebenfalls möglich, indem die Schichtdicke des Übergitters entsprechend variiert wird.

Patentdokumente zu Horst Störmer
PublikationsnummerJahrTitel
pdf-Datei US 4 194 935 A   1979  Method of making high mobility multilayered heterojunction devices employing modulated doping  
pdf-Datei US 4 349 796 A   1980  Devices incorporating phonon filters 
pdf-Datei US 5 051 791 A   1990  Apparatus comprising refractive means for electrons 
pdf-Datei US 5 311 045 A   1992  Field effect devices with ultra-short gates 
pdf-Datei US 5 363 394 A   1993  Quantum wire laser 

Quellen:

[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Horst_Ludwig_St%C3%B6rmer [recherchiert am 27.07.2012]
[2] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1998/stormer.html [recherchiert am 27.07.2012]

© 2016 Deutsches Patent- und Markenamt | 29.02.2016