Obwohl es sich um einzelne Teilchen handelt, fließen Wassermoleküle gemeinsam als Flüssigkeit und erzeugen Ströme, Wellen, Strudel und andere klassische Flüssigkeitsphänomene.
Nicht so bei der Elektrizität. Ein elektrischer Strom ist zwar auch ein Konstrukt aus einzelnen Teilchen – in diesem Fall Elektronen –, aber die Teilchen sind so klein, dass jegliches kollektive Verhalten unter ihnen von größeren Einflüssen übertönt wird, wenn Elektronen durch gewöhnliche Metalle fließen. In bestimmten Materialien und unter bestimmten Bedingungen verschwinden solche Effekte jedoch und die Elektronen können sich gegenseitig direkt beeinflussen. In diesen Fällen können die Elektronen gemeinsam wie eine Flüssigkeit fließen.
Voraussage trifft ein
Jetzt haben Physiker des MIT und des Weizmann Institute of Science beobachtet, dass Elektronen in Wirbeln oder Strudeln fließen – ein Merkmal der Flüssigkeitsströmung, das Theoretiker für Elektronen vorausgesagt hatten, das aber bisher noch nie beobachtet wurde.
„Elektronenwirbel werden in der Theorie erwartet, aber es gab keinen direkten Beweis, und Sehen ist Glauben“, sagt Leonid Levitov, Professor für Physik am MIT. „Jetzt haben wir es gesehen, und es ist ein klares Zeichen dafür, dass wir uns in diesem neuen Regime befinden, in dem sich die Elektronen wie eine Flüssigkeit und nicht wie einzelne Teilchen verhalten.“
Die Beobachtungen könnten als Grundlage für die Entwicklung effizienterer Elektronik dienen. „Wir wissen, dass der Energieverlust sinkt, wenn sich die Elektronen in einem flüssigen Zustand befinden, und das ist für die Entwicklung von Elektronik mit niedrigem Stromverbrauch von Interesse“, sagt Levitov. „Diese neue Beobachtung ist ein weiterer Schritt in diese Richtung.“
Levitov ist zusammen mit Eli Zeldov und anderen vom Weizmann Institute for Science in Israel und der University of Colorado in Denver Mitautor der neuen Studie.
Eine kollektive Verengung
Wenn Strom durch die meisten gewöhnlichen Metalle und Halbleiter fließt, werden die Impulse und Flugbahnen der Elektronen im Strom durch Verunreinigungen im Material und Schwingungen zwischen den Atomen des Materials beeinflusst. Diese Prozesse dominieren das Verhalten der Elektronen in gewöhnlichen Materialien.
Theoretiker haben jedoch vorhergesagt, dass in Abwesenheit solcher gewöhnlichen, klassischen Prozesse Quanteneffekte die Oberhand gewinnen sollten. Die Elektronen sollten nämlich das empfindliche Quantenverhalten der anderen aufgreifen und sich gemeinsam bewegen, wie eine zähflüssige, honigartige Elektronenflüssigkeit. Dieses flüssigkeitsähnliche Verhalten sollte in ultrareinen Materialien und bei Temperaturen nahe dem Nullpunkt auftreten.
Im Jahr 2017 berichteten Levitov und Kollegen von der University of Manchester über Anzeichen für ein solches flüssigkeitsähnliches Verhalten von Elektronen in Graphen, einer hauchdünnen Kohlenstoffschicht, in die sie einen dünnen Kanal mit mehreren Quetschstellen ätzten. Sie beobachteten, dass ein durch den Kanal geleiteter Strom mit geringem Widerstand durch die Einschnürungen fließen konnte. Dies deutet darauf hin, dass sich die Elektronen im Strom gemeinsam durch die Engstellen quetschen können, ähnlich wie eine Flüssigkeit, und nicht wie einzelne Sandkörner verstopfen.
Dieser erste Hinweis veranlasste Levitov dazu, weitere Phänomene der Elektronenflüssigkeit zu untersuchen. In der neuen Studie untersuchten er und seine Kollegen vom Weizmann Institute for Science, wie Elektronenwirbel sichtbar gemacht werden können. Wie sie in ihrer Arbeit schreiben, „ist das auffälligste und allgegenwärtigste Merkmal in der Strömung regulärer Flüssigkeiten, die Bildung von Wirbeln und Turbulenzen, trotz zahlreicher theoretischer Vorhersagen in Elektronenflüssigkeiten noch nicht beobachtet worden“.
Kanalisierte Strömung
Um Elektronenwirbel sichtbar zu machen, wandte sich das Team Wolframditellurid (WTe2) zu, einer ultrareinen metallischen Verbindung, die exotische elektronische Eigenschaften aufweist, wenn sie in einatomig-dünner, zweidimensionaler Form isoliert ist.
„Wolframditellurid ist eines der neuen Quantenmaterialien, bei dem die Elektronen stark wechselwirken und sich eher wie Quantenwellen als wie Teilchen verhalten“, sagt Levitov. „Außerdem ist das Material sehr rein, was das flüssigkeitsähnliche Verhalten direkt zugänglich macht.“
Die Forscher synthetisierten reine Einzelkristalle aus Wolframditellurid und schälten dünne Flocken des Materials ab. Mit Hilfe von Elektronenstrahllithographie und Plasmaätztechniken strukturierten sie dann jedes Plättchen zu einem zentralen Kanal, der mit einer kreisförmigen Kammer auf beiden Seiten verbunden war. Das gleiche Muster ätzten sie in dünne Goldplättchen – ein Standardmetall mit gewöhnlichen, klassischen elektronischen Eigenschaften.
Anschließend ließen sie bei ultratiefen Temperaturen von - 268,65 °C einen Strom durch jede gemusterte Probe fließen und maßen den Stromfluss an bestimmten Punkten in jeder Probe mit Hilfe eines nanoskaligen scannenden supraleitenden Quanteninterferenzgeräts (SQUID) an einer Spitze. Dieses Gerät wurde in Zeldovs Labor entwickelt und misst Magnetfelder mit extrem hoher Präzision. Mithilfe des Geräts konnte das Team jede Probe scannen und im Detail beobachten, wie die Elektronen durch die gemusterten Kanäle in jedem Material flossen.
Was wurde beobachtet?
Die Forscher beobachteten, dass Elektronen, die durch gemusterte Kanäle in Goldplättchen flossen, dies ohne Richtungsumkehr taten, selbst wenn ein Teil des Stroms durch jede Seitenkammer floss, bevor er sich wieder mit dem Hauptstrom vereinigte. Im Gegensatz dazu flossen Elektronen, die durch Wolframditellurid flossen, durch den Kanal und wirbelten in jede Seitenkammer, ähnlich wie Wasser, wenn es in eine Schüssel fließt. Die Elektronen bildeten in jeder Kammer kleine Strudel, bevor sie wieder in den Hauptkanal zurückflossen.
„Wir haben eine Änderung der Flussrichtung in den Kammern beobachtet, bei der sich die Flussrichtung im Vergleich zu der im Mittelstreifen umkehrte“, sagt Levitov. „Das ist eine sehr auffällige Sache, und es ist die gleiche Physik wie in gewöhnlichen Flüssigkeiten, aber es geschieht mit Elektronen auf der Nanoskala. Das ist ein klares Zeichen dafür, dass sich die Elektronen in einem flüssigkeitsähnlichen Zustand befinden.“
Die Beobachtungen der Gruppe sind die erste direkte Visualisierung von wirbelnden Strudeln in einem elektrischen Strom. Die Ergebnisse sind eine experimentelle Bestätigung einer grundlegenden Eigenschaft des Verhaltens von Elektronen. Sie könnten auch Anhaltspunkte dafür liefern, wie Ingenieure Geräte mit geringem Stromverbrauch entwerfen könnten, die Elektrizität flüssiger und mit weniger Widerstand leiten.
„Anzeichen für einen viskosen Elektronenfluss wurden in einer Reihe von Experimenten mit verschiedenen Materialien festgestellt“, sagt Klaus Ensslin, Professor für Physik an der ETH Zürich in der Schweiz, der nicht an der Studie beteiligt war. „Die theoretische Erwartung eines wirbelartigen Stromflusses wurde nun experimentell bestätigt, was einen wichtigen Meilenstein in der Erforschung dieses neuartigen Transportregimes darstellt.“
Diese Forschung wurde zum Teil vom Europäischen Forschungsrat, der Deutsch-Israelischen Stiftung für wissenschaftliche Forschung und Entwicklung und der Israel Science Foundation unterstützt.
