10.10.2018

Elektronen schwimmen mit dem Strom

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.

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

ContentAd

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Die HiPace 10 Neo ist ein effizienter, kompakter Allrounder für den Prüfalltag, der geräuscharm und besonders energieeffizient ist.

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Meist gelesen

Themen