23.09.2021 • Festkörperphysik

Hydrodynamischer Elektronenfluss in 3D-Materialien

In Materialien mit hoher Elektronendichte wechselwirken Elektronen nicht direkt, sondern durch Phononen.

Elektronen fließen durch die meisten Materi­alien eher wie ein Gas als wie eine Flüssig­keit, was bedeutet, dass sie nicht mit­ein­ander wechsel­wirken. Lange Zeit wurde vermutet, dass Elektronen unter bestimmten Bedingungen dennoch wie eine Flüssig­keit fließen könnten, aber erst die jüngsten Fort­schritte im Bereich neuer Quanten­materialien und Mess­techniken ermög­lichten es, diese Effekte in 2D-Materialien zu beobachten. Im Jahr 2020 wurde ein hydro­dynamischer Elektronen­fluss in Graphen abgebildet, wie Wasser, das durch ein Rohr fließt. Jüngste theoretische und experi­mentelle Forschungs­arbeiten deuteten darauf hin, dass ein hydro­dynamischer Elektronen­fluss auch in 3D-Metallen möglich ist, aber wie er genau abläuft oder wie man ihn beobachten kann, blieb unbekannt. Bis jetzt.

Abb.: Elektronen fließen manch­mal doch wie Wasser. (Bild: C. Pouss, MPI-CPfS)
Abb.: Elektronen fließen manch­mal doch wie Wasser. (Bild: C. Pouss, MPI-CPfS)

Ein Team von Forschern der Harvard University, des MIT und des MPI für chemische Physik fester Stoffe entwickelte Experi­mente und eine Theorie zur Erklärung des hydro­dynamischen Elektronen­flusses in 3D-Metallen und beobachtete ihn zum ersten Mal mit einer neuen Bildgebungs­technik.

Die Forscher schlugen vor, dass Elektronen in Materi­alien mit hoher Elektronen­dichte nicht durch direkte Wechsel­wirkungen, sondern durch Phononen mit­ein­ander wechsel­wirken könnten. Und tatsäch­lich konnte in der neuen Studie gezeigt werden, dass hydro­dynamischer Elektronen­fluss in dem drei­dimen­sio­nalen Metall Wolfram­di­tellurid durch einen solchen Mechanismus auftritt.

„Es ist aufregend zu sehen, dass Elektronen durch ein dünnes Stück Metall fließen, wie Wasser durch ein Rohr“, sagt Team-Mitglied Johannes Gooth. „Als wir vor vier Jahren mit der Planung der Experi­mente begannen, war das völlig unklar. Der Mecha­nismus hinter dem hydro­dynamischen Elektronen­fluss ist sehr allgemein und stellt unser allgemeines Verständnis von Metallen noch einmal auf den Kopf. "

MPI-CPfS / RK

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