Wir sprechen oft von Elektronen, die durch Materialien “fließen”, aber in Wirklichkeit bewegen sie sich normalerweise nicht wie eine Flüssigkeit.
Ein solcher “hydrodynamischer” Elektronenfluss war jedoch vorhergesagt worden, und Forschern des Weizmann-Instituts ist es kürzlich gelungen, mit Hilfe einer einzigartigen Technik die Elektronen, wie das Wasser in einem Rohr abzubilden.
Dies ist das erste Mal, dass ein solcher “flüssiger Elektronenfluss” visualisiert wurde, und er hat gravierende Auswirkungen auf zukünftige elektronische Geräte.
Normalerweise bewegen sich die Elektronen durch Leiter eher wie ein Gas als wie eine Flüssigkeit. Das heißt, sie kollidieren nicht miteinander, sondern neigen dazu, an Verunreinigungen und Unebenheiten im Material abzuprallen. Eine Flüssigkeitsströmung hingegen nimmt ihre Form – seien es Wellen oder Strudel – durch häufige Kollisionen zwischen den Teilchen in der Flüssigkeit an.
Um Elektronen wie eine Flüssigkeit fließen zu lassen, braucht man eine andere Art von Leiter. Man wandte sich dem Graphen zu, einer einatomdicken Kohlenstoffschicht, die sich besonders tief “sauber” machen lässt.
“Theorien legen nahe, dass flüssige Elektronen kühne Kunststücke vollbringen können, die ihre nicht-flüssigen Gegenstücke nicht können. Um aber einen eindeutigen Beweis dafür zu erhalten, dass Elektronen tatsächlich einen flüssigen Zustand bilden können, wollten wir ihren Fluss direkt sichtbar machen“, sagt Prof. Shahal Ilani, Leiter des Teams in der Abteilung für Physik Kondensierten Materie am Weizmann-Institut.
Um den Elektronenfluss im Graphen abzubilden, mussten die Forscher eine Technik entwickeln, die sowohl leistungsstark genug ist, um in ein Material zu schauen, als auch hinreichend nicht-invasiv, um den Fluss nicht zu stören.
Das Weizmann-Team hat eine solche Technik entwickelt, wie sie kürzlich in der Zeitschrift Nature Nanotechnology berichteten. Die Methode verwendet einen nanoskaligen Detektor, der aus einem Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistor aufgebaut ist.
Das Team fand heraus, dass es die Eigenschaften der fließenden Elektronen mit einer noch nie da gewesenen Empfindlichkeit abbilden kann. “Unsere Technik ist mindestens 1000 Mal empfindlicher als alternative Methoden; damit können wir Phänomene abbilden, die bisher nur indirekt untersucht werden konnten“, sagt Dr. Joseph Sulpizio in Ilanis Labor.
In einer neuen, in Nature veröffentlichten Studie haben die Weizmann-Forscher ihr neuartiges bildgebendes Verfahren auf modernste Graphengeräte von der Forschergruppe rund um Prof. Andre Geim an der Universität Manchester angewendet.
Dabei handelt es sich um nanoskalige Kanäle, die die fließenden Elektronen leiten sollen. Das Team beobachtete die charakteristische Signatur der hydrodynamischen Strömung: Wie Wasser in einem Rohr, flossen die Elektronen im Graphen in der Mitte des Kanals schneller und an den Wänden langsamer.
Weniger Stromverbrauch, da weniger Widerstand
Diese Demonstration – dass die Elektronen unter den richtigen Bedingungen die Muster einer herkömmlichen Flüssigkeit nachahmen können – ermöglicht die Entwicklung neuartiger elektronischer Geräte, da dieser hydrodynamische Fluss den elektrischen Widerstand maßgeblich verringert. “Rechenzentren und Unterhaltungselektronik verschlingen immer mehr Energie, und es ist zwingend notwendig, Wege zu finden, um Elektronen mit weniger Widerstand fließen zu lassen“, sagt Dr. Lior Ella, ebenfalls aus Ilanis Gruppe. Und hierin liegt schließlich das Potential dieser Forschung.
Quelle/Sender: Weizmann Wonder Wander