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
