08.09.2021 - Boston College

Forscher entdecken ein neuartiges Metall, in dem Elektronen mit flüssigkeitsähnlicher Dynamik fließen

"Diese neuartige Flüssigkeit fließt im Inneren des Metalls genau so, wie Wasser in einem Rohr fließt"

Ein Forscherteam des Boston College hat eine neue metallische Probe geschaffen, bei der die Bewegung der Elektronen so fließt, wie Wasser in einem Rohr fließt - ein grundlegender Wechsel von einer teilchenartigen zu einer flüssigkeitsähnlichen Dynamik, berichtet das Team in Nature Communications.

Fazel Tafti, Assistenzprofessor für Physik am Boston College, hat in Zusammenarbeit mit Kollegen von der University of Texas in Dallas und der Florida State University herausgefunden, dass eine starke Wechselwirkung zwischen Elektronen und Phononen den Transport von Elektronen von einem diffusiven oder teilchenartigen zu einem hydrodynamischen oder flüssigkeitsartigen Zustand verändert.

Die Ergebnisse markieren die erste Entdeckung einer Elektron-Phononen-Flüssigkeit in NbGe2, so Tafti.

"Wir wollten eine kürzlich gemachte Vorhersage der 'Elektron-Phonon-Flüssigkeit' testen", so Tafti, der darauf hinweist, dass Phononen die Schwingungen einer Kristallstruktur sind. "Normalerweise werden Elektronen durch Phononen gestreut, was zu der üblichen diffusen Bewegung von Elektronen in Metallen führt. Eine neue Theorie zeigt, dass Elektronen, wenn sie stark mit Phononen wechselwirken, eine vereinigte Elektron-Phonon-Flüssigkeit bilden. Diese neuartige Flüssigkeit fließt im Inneren des Metalls genau so, wie Wasser in einem Rohr fließt".

Der Experimentalphysiker Tafti, der mit seinem Kollegen Kenneth Burch, Professor für Physik am Boston College, Luis Balicas von der FSU und Julia Chan von der UT-Dallas zusammenarbeitet, bestätigt die Vorhersagen der Theoretiker und ist überzeugt, dass die Entdeckung die weitere Erforschung des Materials und seiner potenziellen Anwendungen vorantreiben wird.

Tafti merkte an, dass unser tägliches Leben vom Fluss des Wassers in Rohren und von Elektronen in Drähten abhängt. So ähnlich die beiden Phänomene auch klingen mögen, sie unterscheiden sich grundlegend. Wassermoleküle fließen als ein flüssiges Kontinuum, nicht als einzelne Moleküle, und gehorchen den Gesetzen der Hydrodynamik. Elektronen hingegen fließen als einzelne Teilchen und diffundieren in Metallen, da sie durch Gitterschwingungen gestreut werden.

Die Untersuchung des Teams, zu der der Doktorand Hung-Yu Yang, der 2021 an der BC promoviert, maßgeblich beigetragen hat, konzentrierte sich auf die Leitung von Elektrizität in dem neuen Metall NbGe2, so Tafti.

Sie wendeten drei experimentelle Methoden an: Messungen des elektrischen Widerstands ergaben eine höhere Masse für Elektronen als erwartet; Raman-Streuung zeigte eine Verhaltensänderung in der Vibration des NbGe2-Kristalls aufgrund des speziellen Elektronenflusses; und Röntgenbeugung enthüllte die Kristallstruktur des Materials.

Durch die Verwendung einer speziellen Technik, die als "Quantenoszillationen" bekannt ist, um die Masse der Elektronen im Material zu bewerten, fanden die Forscher heraus, dass die Masse der Elektronen in allen Trajektorien dreimal größer war als der erwartete Wert, sagte Tafti, dessen Arbeit von der National Science Foundation unterstützt wird.

"Dies war wirklich überraschend, weil wir solch 'schwere Elektronen' in einem scheinbar einfachen Metall nicht erwartet hatten", sagte Tafti. "Schließlich haben wir verstanden, dass die starke Elektron-Phonon-Wechselwirkung für das Verhalten der schweren Elektronen verantwortlich ist. Da die Elektronen stark mit den Gitterschwingungen, den Phononen, wechselwirken, werden sie vom Gitter 'mitgezogen', und es scheint, als ob sie an Masse gewinnen und schwer werden."

Laut Tafti besteht der nächste Schritt darin, andere Materialien in diesem hydrodynamischen Bereich zu finden, indem die Elektron-Phonon-Wechselwirkungen genutzt werden. Sein Team wird sich auch darauf konzentrieren, die hydrodynamische Flüssigkeit der Elektronen in solchen Materialien zu kontrollieren und neue elektronische Geräte zu entwickeln.

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