Ein internationales Team von Physikern hat erstmals beobachtet, wie Elektronen in strudelartigen Mustern fließen, die als Vortices bekannt sind. Lange vorhergesagt, aber noch nie zuvor in Experimenten gesehen, könnte dieser Beweis für ein flüssigkeitsähnliches Verhalten genutzt werden, um effizientere Elektronik herzustellen.
In gewöhnlichen Materialien wird der Elektronenfluss stark durch Verunreinigungen und Atomschwingungen beeinflusst, die beide dazu führen, dass Elektronen gestreut werden. In ultrareinen Materialien und bei Temperaturen nahe Null, wo solche klassischen Prozesse fehlen, bewegen sich die Elektronen ungehindert wie Billardkugeln über das Material. In den seltenen Fällen jedoch, in denen die Elektronen stark miteinander wechselwirken, wird vorausgesagt, dass sich die Elektronen kollektiv wie eine Flüssigkeit bewegen.
Im Jahr 2017 wurde ein Team unter der Leitung von Leonid Levitow im Massachusetts Institute of Technology in den USA, zusammen mit Kollegen an der University of Manchester in Großbritannien, beobachteten flüssigkeitsähnliches Elektronenverhalten in einer Probe von Graphen (eine Schicht aus Kohlenstoffatomen, die nur ein Atom dick ist), die einen dünnen Kanal mit mehreren Quetschpunkten enthielt. Der durch den Kanal geschickte Strom floss fast ohne Widerstand durch die Verengungen, was bedeutet, dass die Elektronen, aus denen der Strom besteht, sich gemeinsam durch die Quetschpunkte quetschen konnten, anstatt sie einzeln zu passieren.
Elektronen verhalten sich wie Quantenwellen
Im neuen Werk, Eli Zeldow, zusammen mit Levitov und Kollegen aus Israel Weizmann Institute of Science und für Universität von Colorado in Denver untersuchte in den USA Elektronen in Wolframditellurid (WTe2). Dieses Material ist ein ultrareines Weyl-Halbmetall vom Typ II, eine kürzlich entdeckte Klasse topologischer Materialien (eines, das in der Masse isolierend sein kann, aber aufgrund einer symmetriegeschützten topologischen Ordnung leitende Oberflächenzustände aufweist). WTe2 Es ist bekannt, dass es exotische elektronische Eigenschaften hat, wenn es zu zweidimensionalen Flocken mit einer Dicke von einem einzigen Atom verarbeitet wird. Tatsächlich ist es eines von mehreren neuen Quantenmaterialien, in denen Elektronen stark interagieren und sich eher als Quantenwellen als als Teilchen verhalten, erklärt Levitov.
Um zu beobachten, wie Elektronen in Wirbeln fließen, synthetisierten die Forscher zunächst reine WTe-Einkristalle2 und dünne Flocken des Materials abrasiert. Anschließend verwendeten sie Elektronenstrahllithographie und Plasmaätzen, um jede Flocke in einen engen Kanal und zwei kreisförmige Kammern zu strukturieren, die mit seinen Seiten verbunden waren.
„Diese Geometrie wurde entwickelt, um mögliche Scherkräfte zu ermöglichen, die Elektronenflüssigkeit in den Kammern durch den elektrischen Strom zu lenken, der in dem engen Kanal fließt“, sagt Teammitglied Amit Aharon-Steinberg Physik-Welt. „Dann haben wir ein extrem empfindliches Scanning-Magnetometer verwendet, das in unserem Labor entwickelt wurde und die Magnetfelder erfasst, die durch den fließenden elektrischen Strom erzeugt werden.“
Schließlich rekonstruierten die Forscher den elektrischen Strom aus den gemessenen Magnetfeldbildern, um die Wirbel explizit hervorzuheben.
Das hydrodynamische Regime
Die Analysen ergaben, dass Elektronen, die durch den Kanal strömten, die Elektronen in jeder Seitenkammer in Strudel wirbeln ließen. Außerdem waren die Wirbel nur bei kleinen Öffnungen vorhanden, während bei größeren Öffnungen die Strömung laminar (dh ohne Wirbel) war. In der Nähe des Wirbel-zu-Laminar-Übergangs wurde ein einzelner Wirbel in der Kammer gesehen, der sich in zwei Teile aufspaltete – ein Verhalten, das nur im hydrodynamischen (fluidähnlichen) Regime erwartet wird.
Elektronen fließen wie eine Flüssigkeit in einem metallischen Supraleiter
Die Ergebnisse legen nahe, dass ein neuer hydrodynamischer Mechanismus in dünnen reinen Kristallen existieren könnte, bei dem die Diffusion des Elektronenimpulses durch Kleinwinkelstreuung an der Oberfläche des Materials statt durch herkömmliche Elektron-Elektron-Streuung ermöglicht wird, die bei niedrigen sehr schwach wird Temperaturen. Diese oberflächeninduzierte Para-Hydrodynamik, wie die Forscher sie getauft haben, teilt viele Aspekte der gewöhnlichen Hydrodynamik, einschließlich der Wirbel.
Laut dem Weizmann-MIT-Colorado-Team könnten die Ergebnisse den Forschern helfen, effizientere Elektronik zu entwerfen und zu entwickeln. „Wir wissen, dass die Dissipation von [Energie] abnimmt, wenn Elektronen in einen flüssigen Zustand übergehen, und das ist von Interesse, wenn man versucht, Elektronik mit geringem Stromverbrauch zu entwerfen“, sagt Levitov. „Diese neue Beobachtung ist ein weiterer Schritt in diese Richtung.“
Die Recherche ist ausführlich in Natur.
