Elektronen schwimmen mit dem Strom

  • 10. October 2018

Hydrodynamisches Verhalten wurzelt in der Quanten­natur des Elek­tronen­systems.

Man legt einen Schalter um und das Licht geht an, weil Strom „fließt“. Das ist, so die übliche Wahr­nehmung, als ob man einen Wasser­hahn öffnet und das Wasser fängt an zu fließen. Doch diese Analogie ist irre­führend. Der Wasser­fluss wird von der Theorie der Hydro­dynamik bestimmt, wobei das Ver­halten der Flüssig­keit keine Kenntnis der Bewe­gungen ein­zelner Mole­küle erfordert. Elek­trische Ströme in Fest­körpern werden jedoch aus Elek­tronen gebildet. In Metallen kolli­dieren diese nicht mit­ein­ander, aber sie streuen an Gitter­fehlern. In kon­ven­tio­nellen Leitern ist die Bewegung von Elek­tronen daher eher mit der Bewegung von Kugeln in einem Flipper­auto­maten ver­gleich­bar.

Elektronenfluss

Abb.: Elektronen schwimmen mit dem Strom. (Bild: J. Gooth, MPI-CPfS)

Ein hydrodynamischer Elektronenfluss lässt sich dagegen nur in hoch­reinen Quanten­materi­alien beob­achten. Ein inter­natio­nales Team bestehend aus Mit­gliedern vom IBM Forschungs­labor Zürich, der Uni Hamburg und dem MPI für chemische Physik fester Stoffe hat nun Daten­signa­turen von Elek­tronen­hydro­dynamik in dem Halb­metall Wolfram­di­phosphid gefunden. Bei näherer Betrach­tung konnte gezeigt werden, dass das hydro­dyna­mische Ver­halten der Elek­tronen in der stark wechsel­wirkenden Quanten­natur dieses Elek­tronen­systems wurzelt.

Überraschend ist dabei, dass die Beobach­tungen mit mathe­ma­tischen Tech­niken über­ein­stimmen, die aus der String­theorie stammen. Diese Tech­niken wurden ange­wendet, um stark wechsel­wirkende Formen von Quanten­materie zu beschreiben und sagen vorher, dass die Umwand­lung irgend­einer Energie­form in Wärme­energie funda­mental begrenzt ist. Die Experi­mente wurden durch den Fort­schritt bei der Ent­wick­lung von neuen Materi­alien und Nano­fabri­ka­tions­tech­niken ermög­licht.

MPI-CPfS / RK

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