Schulversuch: Der quantisierte Leitwert
Quantenphänomene sind auch in alltäglichen Phänomenen, wie in einem "Wackelkontakt", zu beobachten, wenn nur genau genug beobachtet wird. Dieses Experiment ist in seiner verblüffenden Einfachheit eine interessante Ergänzung zu den etablierten, meist jedoch kostenintensiven, Schulversuchen zur Quantenmechanik: Zwei dünne Golddrähte, die sich nur schwach berühren, werden vorsichtig auseinandergezogen. Dies erfordert etwas Geschick und eine ruhige Hand - kann aber auch von den Schülerinnen und Schülern selbst durchgeführt werden.
Quantenmechanik im Wackelkontakt!
Aufgrund von bahnbrechenden Experimenten in den 1980er Jahren wissen wir heute, dass in nanoskopischen Drähten der Widerstand und der Leitwert quantisiert sind. Das Leitwertsquantum beträgt 2e^2/h ≈ 1/12906 Ohm und verbindet zwei fundamentale Naturkonstanten: Die Elementarladung e und das Planck’sche Wirkungsquantum h. Um die Quantisierung des Widerstands zu demonstrieren waren zunächst komplexe Halbleiter-Heterostrukturen, Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und zum Teil auch hohe Magnetfelder notwendig. 1985 erhielt Klaus von Klitzing für die Entdeckung des quantisierten Hallwiderstands den Nobelpreis für Physik.
10 Jahre später zeigten Costa-Krämer und Ko-Autoren, dass sich mit sehr schwach berührenden Drähten quantisierte Leitwerte auch bei Zimmertemperatur beobachten lassen. Quantenmechanik im Wackelkontakt!
Quanten-Leitwerts-Kit für Schulen
Aus Anlass des Quantenjahrs 2025 wurde mit freundlicher Unterstützung der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung eine einfache Schaltung entwickelt, mit der sich der quantisierte Leitwert auch im Physikunterricht auf einfache Weise demonstrieren lässt. 200 dieser Schaltungen werden für den schulischen Unterricht, für den Einsatz in Physik-AGs oder als Demonstrationsversuch für die Öffentlichkeitsarbeit zur Verfügung gestellt.
Sie können im Jahr 2025 ein „Quanten-Leitwerts-Kit“ zu bestellen. Die Kosten übernimmt großzügigerweise die Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung. Geliefert werden Schaltung, Anleitung und Begleitmaterial. Außer der Schaltung wird ein Oszilloskop benötigt, um den Versuch vorzuführen.
Weitere Informationen
- Eine Demonstration des quantisierten Leitwerts mit der entwickelten Schaltung sowie ein paar einfache Erklärungen finden Sie in diesem Video (Sie werden auf YouTube weitergeleitet).
- Eine etwas tiefergehende Diskussion mit einer an den Schulunterricht angepassten Herleitung des quantisierten Leitwerts in ultradünnen Drähten können Sie hier herunterladen.
- Am 19.-21.09.2025 findet die 4., DPG-Fachleitertagung zum Thema "Vom Wissen zum Handeln" statt, bei der auch der Quantisierte Leitwert vorgestellt wird. Weitere Infos hier.