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Viskose Flüssigkeit aus Elektronen, die in Graphen fließen

06.03.2023

Wissenschaftler haben erstmals den „Flüssigkeitsfluss“ von Elektronen in Graphen direkt mit Nanometerauflösung gemessen.

Physiker der University of Wisconsin-Madison haben beobachtet, wie sich ein Elektronenstrom in ein Analogon einer viskosen Flüssigkeit verwandelt, wenn er in einem Leiter auf Interferenz trifft.

Graphen ist ein zweidimensionales, atomdickes Kohlenstoffmaterial, das in einem Wabenmuster angeordnet ist. Es ist ein rein elektrischer Leiter, in dem Elektronen praktisch keinen Widerstand spüren. Für das Experiment fügten die Forscher dem Graphen in kontrollierten Abständen Hindernisse hinzu und legten dann einen elektrischen Strom hindurch.

„In der Studie zeigen wir, wie Ladung um eine Verunreinigung fließt, und sehen tatsächlich, wie diese Verunreinigung Strom blockiert und Widerstand verursacht, was noch nie zuvor getan wurde, um zwischen gasförmigen und flüssigen Elektronenströmen zu unterscheiden“, sagt Zak Krebs, ein Doktorand in der Wisconsin Physics Department, University of Wisconsin-Madison und Co-Autor der Studie

Die Studie zeigte, dass sich die Elektronen in Graphen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt wie ein Gas verhalten: Sie bewegen sich in alle Richtungen und stoßen häufiger zusammen, als dass sie miteinander interagieren. In dieser Situation ist der Widerstand höher und der Elektronenfluss relativ ineffizient, stellen die Autoren fest.

Im Gegensatz dazu beginnen Elektronen bei höheren Temperaturen (ca. 77 K oder -196 °C) miteinander zu interagieren, wodurch sie sich wie eine viskose (newtonsche) Flüssigkeit bewegen. Dieser Prozess ähnelt einem Fluss, der um einen Felsen fließt. Gleichzeitig ist der Widerstand in Graphen geringer und der Elektronenfluss effizienter. Die Physiker stellten fest, dass unabhängig vom Abstand zwischen den Hindernissen der Spannungsabfall bei 77K viel geringer war als bei 4K.

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