29.09.2021 - Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

Erster Blick auf den hydrodynamischen Elektronenfluss in 3D-Materialien

"Es ist wirklich sehr aufregend zu sehen, dass Elektronen durch ein dünnes Stück Metall fließen, wie Wasser durch ein Rohr"

Elektronen fließen durch die meisten Materialien eher wie ein Gas als wie eine Flüssigkeit, was bedeutet, dass sie nicht miteinander wechselwirken. Lange Zeit wurde vermutet, dass Elektronen unter bestimmten Bedingungen dennoch wie eine Flüssigkeit fließen könnten, aber erst die jüngsten Fortschritte im Bereich neuer Quantenmaterialien und Messtechniken ermöglichten es, diese Effekte in 2D-Materialien zu beobachten. Im Jahr 2020 wurde ein hydrodynamischer Elektronenfluss in Graphen abgebildet, wie Wasser, das durch ein Rohr fließt. Jüngste theoretische und experimentelle Forschungsarbeiten deuteten darauf hin, dass ein hydrodynamischer Elektronenfluss auch in 3D-Metallen möglich ist, aber wie er genau abläuft oder wie man ihn beobachten kann, blieb unbekannt. Bis jetzt.

Ein Team von Forschern aus Harvard, dem MIT und dem Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe entwickelte Experimente und eine Theorie zur Erklärung des hydrodynamischen Elektronenflusses in 3D-Metallen und beobachtete ihn zum ersten Mal mit einer neuen Bildgebungstechnik.

Elektronen fließen durch die meisten Metalle eher wie ein Gas als wie eine Flüssigkeit, was bedeutet, dass sie nicht miteinander wechselwirken. Zwar wurde schon lange Zeit vermutet, dass Elektronen unter bestimmten Bedingungen auch wie eine Flüssigkeit fließen könnten, aber erst jüngste Fortschritte im Bereich neuer und entsprechender Messtechniken ermöglichten es, diese Effekte zu beobachten - allerdings nur in zweidimensionalen Materialien, wie Graphen. Die Hydrodynamik von Elektronen in dreidimensionalen Metallen blieb aufgrund eines grundlegenden Verhaltens von Elektronen in drei Dimensionen sehr viel schwerer beobachtbar: Die Elektronen schirmen sich gegenseitig ab. In dreidimensionalen Metallen sind die Elektronen daher weniger geneigt, miteinander zu interagieren. Bis jetzt. Ein Team von Forschern aus Harvard, dem MIT und dem Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe haben neue Materialien, Messtechnik und eine Theorie entwickelt, die die Beobachtung von hydrodynamischem Elektronenfluss auch in drei Dimensionen ermöglicht.

Die Forscher schlugen vor, dass Elektronen in Materialien mit hoher Elektronendichte nicht durch direkte Wechselwirkungen, sondern durch die Quantenschwingungen des Atomgitters, die so genannten Phononen, miteinander wechselwirken könnten. In etwa so, als würden zwei Personen auf einem Trampolin springen, die sich nicht direkt, sondern über die elastische Kraft der Federn gegenseitig antreiben. Und tatsächlich konnte in der neuen Studie gezeigt werden, dass hydrodynamischer Elektronenfluss in dem dreidimensionalen Metall Wolframditellurid durch einen solchen Mechanismus auftritt.

Johannes Gooth, ein Mitautor der Studie, ist von der Studie begeistert und freut sich darauf, mehr potenzielle hydrodynamische Materialien mit dieser Technik zu untersuchen. "Es ist wirklich sehr aufregend zu sehen, dass Elektronen durch ein dünnes Stück Metall fließen, wie Wasser durch ein Rohr. Als wir vor 4 Jahren mit der Planung der Experimente begannen, war das völlig unklar. Der Mechanismus hinter dem hydrodynamischen Elektronenfluss ist sehr allgemein und stellt unser allgemeines Verständnis von Metallen noch einmal auf den Kopf. "

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Elektronen
  • 3D-Materialien
  • Bildgebung
Mehr über MPI für Chemische Physik fester Stoffe
Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Verdrehte MoS₂-Schichten lassen neuartige Materiezustände entstehen

    Ein Forschungsteam aus Deutschland, China und den Vereinigten Staaten hat entdeckt, dass zwei aufeinander verdrehte Schichten aus MoS₂ zur Steuerung der kinetischen Energieskalen in Festkörpern verwendet werden können. Die Forscher zeigen, dass die Elektronen in MoS₂ nicht nur die elektroni ... mehr

    Magnetfeld erzeugt LCD-ähnlichen nematischen Zustand in chiralem Supraleiter

    Forscher des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg und der RWTH Aachen haben eine überraschende Verbindung zwischen dem nematischen Verhalten eines Supraleiters in einem Magnetfeld - einem Zustand, der LCD-Flüssigkristallen ähnelt - und seinem chiralen ... mehr

    Erster programmierbarer Photokatalysator entwickelt

    Forscher am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben einen nachhaltigen und „intelligenten Photokatalysator“ entwickelt. Die Besonderheit: Als sogenanntes smart material kann er zwischen Lichtfarben (Blau, Rot und Grün) unterscheiden und ermöglicht als Antwort darauf ... mehr

  • Videos

    Katalysatoren - Multitalent Katalysator

    Kaum ein Prozess in der chemischen Industrie läuft ohne Katalysatoren. Sie beschleunigen chemische Reaktionen und helfen so, Energie zu sparen und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Viele Reaktionen werden durch Katalysatoren aber auch praktisch erst möglich. mehr

    STED - Lichtblicke in die Nanowelt

    Details die enger als 200 Nanometer beieinander liegen, können mit optischen Mikroskopen nicht mehr unterschieden werden – das entspricht in etwa dem Zweihunderdstel einer Haaresbreite. Grund dafür ist die Wellennatur des Lichts, dessen halbe Wellenlänge in etwa diesen 200 Nanometern entspr ... mehr

    Tuning für Brennstoffzelle

    Die Brennstoffzelle kann klimaschonenden Strom erzeugen, vor allem wenn sie mit Wasserstoff aus regenerativen Quellen wie etwa aus Biomasse betrieben wird. Damit sie aber auch mit Brennstoff aus Holzabfällen oder Stroh optimal arbeitet, benötigt sie eine ausgeklügelte Steuerung. mehr

  • White Paper

    Die Keimzelle der Biobatterie

    Um überschüssigen Strom von Windkraft- und Solaranlagen aufzuheben sind leistungsfähige Batterien und Kondensatoren aus nachhaltigen Materialien gefragt. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr