Elektronen schwimmen mit dem Strom

12.10.2018 - Deutschland

Sie schalten einen Schalter und das Licht geht an, weil Strom „fließt“. Die übliche Wahrnehmung ist, dass dies so sei, als ob man einen Wasserhahn öffnet und das Wasser anfängt zu fließen. Aber 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 Flipperautomat vergleichbar.

Hydrodynamischer Elektronenfluss kann nur in hochreinen Quantenmaterialien beobachtet werden. Ein internationales Team bestehend aus Mitgliedern vom IBM Forschungslabor Zürich, der Universität Hamburg und dem Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe hat nun Datensignaturen von Elektronenhydrodynamik in dem Halbmetall Wolframdiphosphid gefunden. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Nature Communications publiziert. Bei näherer Betrachtung konnte gezeigt werden, dass das hydrodynamische Verhalten der Elektronen in der stark wechselwirkenden Quantennatur dieses Elektronensystems wurzeln.

Zusätzlich ist es überraschend, dass diese 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.