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Elektronen fließen wie eine Flüssigkeit

20.09.2017

In ihren neuesten Experimenten haben Wissenschaftler des Graphene Institute der University of Manchester die Bedingungen entdeckt, unter denen sich Elektronen, die sich durch Graphen bewegen, auf sehr ungewöhnliche Weise verhalten. Diese spezifische Bewegung von Elektronen ermöglicht Wissenschaftlern ein besseres Verständnis der physikalischen Prozesse in elektrisch leitfähigen Materialien, und in naher Zukunft können dieselben Prozesse zur Entwicklung nanoelektronischer Schaltkreise für schnelle und leistungsstarke Computerchips der nächsten Generation verwendet werden.

Bei den meisten Metallen ist die elektrische Leitfähigkeit durch die Anzahl der Defekte in ihrem Kristallgitter begrenzt, die dazu führen, dass Elektronen gestreut werden und wie Billardkugeln auf sie auftreffen. Daher leitet Graphen aufgrund seiner „zweidimensionalen“ Struktur Elektrizität viel besser als jedes Metall. Darüber hinaus können Elektronen in einigen reinen Metallen und anderen Materialien mit einer geordneten Kristallstruktur, einschließlich Graphen, Entfernungen von Mikrometern überwinden, ohne aufgrund der sogenannten ballistischen Bewegung zu streuen. Die Parameter einer solchen Bewegung bestimmen die maximal mögliche elektrische Leitfähigkeit des Materials, die als Landauers fundamentale Grenze bezeichnet wird.

Die während der Experimente erhaltenen Daten ließen die Wissenschaftler jedoch den Schluss zu, dass das Gesetz, das die fundamentale Landauer-Grenze bestimmt, im Graphen-Medium unter bestimmten Bedingungen nicht eingehalten wird. Und dafür ist ein sehr ungewöhnlicher Mechanismus verantwortlich, der in direktem Zusammenhang mit dem relativ neuen Gebiet der Physik namens Elektronenhydrodynamik (Elektronenhydrodynamik) steht.

Das Gebiet der Elektronenströmungsdynamik entstand erst letztes Jahr, nachdem Wissenschaftler der University of Manchester und anderer wissenschaftlicher Organisationen gezeigt hatten, dass bei einer bestimmten Temperatur eines Materials Elektronen, die sich darin bewegen, so oft miteinander kollidieren, dass der Elektronenfluss beginnt fließen wie ein Flüssigkeitsstrom, der nicht den kleinsten Viskositätskoeffizienten hat. Und in neuen Forschungen haben Wissenschaftler gezeigt, dass das Vorhandensein dieser viskosen „E-Flüssigkeit“ dem Material eine höhere elektrische Leitfähigkeit verleiht als die ballistische Bewegung von Elektronen.

Das von Wissenschaftlern entdeckte Phänomen ist ziemlich paradox. Tatsächlich interagieren und streuen sie bei Kollisionen von Elektronen, was theoretisch die elektrische Leitfähigkeit des Materials schwächen sollte. Die Erhöhung der Leitfähigkeit des Materials erfolgt jedoch aufgrund der Tatsache, dass die Elektronen wie ein Wasserstrahl, der in einem Fluss fließt, in zwei bedingte Teile geteilt werden. Jene Elektronen, die sich in unmittelbarer Nähe der Kanten des Kristallgitters bewegen, verlieren ihren Impuls und werden langsamer. Aber gleichzeitig wirken sie als Schutz gegen Kollisionen von Elektronen, die sich in der Mitte des Stroms bewegen. Und diese Elektronen bewegen sich bereits entlang einer superballistischen Flugbahn innerhalb des "Kanals", der von den extremen Elektronen erzeugt wird.

„Wir wissen aus der Schulphysik, dass je ungeordneter die Struktur eines Materials ist, desto größer ist sein elektrischer Widerstand“, sagt Sir Andrew Game, „aber in unserem Fall verringert die Unordnung, die durch Streuung aufgrund von Elektronenstößen verursacht wird, den elektrischen Widerstand des Materials: In diesem Fall beginnen die Elektronen wie eine Flüssigkeit zu fließen und die Geschwindigkeit dieser Flüssigkeit übersteigt die Geschwindigkeit von Elektronen mit gleicher Energie im Vakuum.

Die Wissenschaftler führten eine Reihe von Experimenten durch, in denen die Leitfähigkeit von Graphen bei verschiedenen Temperaturen gemessen wurde. Der Vergleich der Leitfähigkeit von reinem Graphen und dotiertem Graphen, das klare metallische Leitfähigkeitseigenschaften aufweist, ermöglichte es den Wissenschaftlern, mit hoher Genauigkeit eine neue physikalische Größe namens viskose Leitfähigkeit zu berechnen. Und was am bemerkenswertesten ist, die gesammelten experimentellen Daten stimmten praktisch mit den Daten überein, die im Laufe der Berechnungen der entsprechenden mathematischen Modelle erhalten wurden.

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