Im naturwissenschaftlichen Unterricht in der Schule lernt man, dass das Einstecken eines Kabels in einen Stromkreis einen Elektronenfluss auslöst, der alles von unseren Lampen bis zu unseren Telefonen mit Strom versorgt. Traditionell versteht man das Verhalten von Elektronen in Metallen und Halbleitern anhand eines einfachen Modells: Elektronen stellen wir uns als winzige, unabhängige Teilchen vor, ähnlich wie Autos auf einer offenen Autobahn – jedes einzelne bewegt sich frei, ohne viel mit den anderen zu interagieren. Diese einfache Sichtweise bildet seit vielen Jahren die Grundlage der Elektronik und hilft uns, die elektronischen Geräte zu verstehen und zu entwickeln, die einen Großteil des modernen Lebens ausmachen.
Interaktion von Quantenmaterialien
Diese traditionelle Sichtweise greift jedoch bei einigen neu entstehenden Quantenmaterialien wie dem ultradünnen und hochleitfähigen Material Graphen zu kurz. In diesen Materialien verhalten sich die Elektronen nicht wie einzelne Autos auf der Autobahn, sondern wie eine viskose Flüssigkeit, wie zum Beispiel Öl. Diese Erkenntnis ist mehr als nur eine merkwürdige Beobachtung. Sie könnte für die künftige Entwicklung einer breiten Palette von Technologien von Bedeutung sein.
In einem Forschungslabor am CDE (College of Design and Engineering) an der National University of Singapore wird erforscht, wie Quantenmaterialien mit elektromagnetischer Strahlung auf der Nanoskala interagieren, um neue wissenschaftliche Phänomene und ihren potenziellen Nutzen für die Entwicklung künftiger Technologien aufzudecken. In einer kürzlich in Nature Nanotechnology veröffentlichten Studie wurde festgestellt, dass sich die Elektronenflüssigkeit erwärmt, wenn sie elektromagnetischer Strahlung im Terahertzbereich ausgesetzt wird, und dass sich ihre Viskosität drastisch verringert, was zu einem geringeren elektrischen Widerstand führt – ähnlich wie Öl, Honig und andere viskose Flüssigkeiten leichter fließen, wenn sie auf einem Herd erhitzt werden.
THz-Wellen bieten technologisches Potenzial
Terahertz-Wellen (THz) sind ein spezieller und technologisch anspruchsvoller Teil des elektromagnetischen Spektrums, der zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht liegt und eine breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten bietet. Die Fähigkeit, THz-Wellen zu erkennen, könnte große technologische Fortschritte ermöglichen. In der Kommunikationstechnik beispielsweise arbeitet die derzeitige Wi-Fi-Technologie mit mehreren GHz, was die Datenübertragungsrate begrenzt. Die THz-Strahlung mit ihrer viel höheren Frequenz könnte als „Trägerfrequenz“ für ultraschnelle Netze jenseits von 5G dienen und eine schnellere Datenübertragung für mit dem Internet der Dinge (IoT) verbundene Geräte, selbstfahrende Autos und unzählige andere Anwendungen ermöglichen.
In der medizinischen Bildgebung und der industriellen Qualitätskontrolle können THz-Wellen viele Materialien durchdringen, was sie für nicht-invasive Scans nützlich macht. Sie sind auch sicherer als Röntgenstrahlen und bieten ein hochselektives und präzises Bildgebungsinstrument. Darüber hinaus ermöglicht die THz-Sicht die beobachtende Astronomie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, entfernte Galaxien und Exoplaneten zu beobachten, die mit sichtbarem Licht nicht zu erkennen sind.
Die THz-Strahlung bietet also ein enormes Potenzial. Das Problem ist, dass es bis vor kurzem eine große Herausforderung war, sie zu erkennen. THz-Wellen sind zu schnell für herkömmliche Halbleiterchips und zu langsam für konventionelle optoelektronische Geräte. Die Studie zeigt, dass durch die Nutzung des Effekts der Viskositätsverringerung neue Geräte geschaffen werden können, die THz-Wellen durch Erfassen der Veränderungen des elektrischen Widerstands erkennen können. Wie in der Arbeit berichtet, konnte eine neue Klasse von elektronischen Geräten gebaut werden, die als viskose Elektronenbolometer bezeichnet werden.
In der Praxis
Diese Bolometer stellen die erste praktische Anwendung der viskosen Elektronik dar – ein Konzept, das früher als rein theoretisch galt – und sind in der Lage, Widerstandsänderungen extrem genau und schnell zu messen, wobei sie im Prinzip im Pikosekundenbereich arbeiten. Mit anderen Worten: Billionstel einer Sekunde.
Das Verständnis und die Nutzung der Art und Weise, wie sich Elektronen als kollektive Flüssigkeit bewegen, eröffnet uns die Möglichkeit, das Design elektronischer Geräte völlig neu zu überdenken. In diesem Sinne arbeitet das Team an Forschenden aktiv daran, diese viskosen Elektronenbolometer für praktische Anwendungen zu optimieren.
Je mehr Geheimnisse in der aufstrebenden Welt der Quantenmaterialien gelüftet werden, desto klarer wird, dass die traditionellen Modelle des Elektronenverhaltens nicht mehr ausreichen. Wenn wir uns dieses neue Verständnis der viskosen Elektronik zu eigen machen, könnten wir kurz davor stehen, eine neue Welle technologischer Möglichkeiten zu erschließen.
