(zf L/Moment/Getty Images) In Metallen wird normalerweise erwartet, dass sich Elektronen diffus bewegen und als einzelne Teilchen agieren – mit anderen Worten: Sie gewinnen als Gruppe keinen Impuls.
In einer neuen Studie haben Wissenschaftler nun eine Art Metall entdeckt, bei dem Elektronen durch Wechselwirkung tatsächlich auf eine flüssigkeitsähnliche Weise fließen – wie Wasser in einem Rohr Quasiteilchen angerufen Phononen , die aus Schwingungen in einer Kristallstruktur entstehen.
Dies führt dazu, dass die Elektronen in ihrer Bewegung von diffusivem (teilchenartigem) zu hydrodynamischem (flüssigkeitsartigem) Verhalten wechseln.
Das Metall Supraleiter das dieses Verhalten verursacht, ist eine Synthese von Niob Und Germanium namens Ditetrelid (NbGe2), berichtet das Forschungsteam. Möglicherweise könnte dadurch ein neuer Typ elektronischer Geräte entstehen.
„Wir wollten eine aktuelle Vorhersage der ‚Elektronen-Phononen-Flüssigkeit‘ testen“, sagt Experimentalphysiker Fazel Tafti vom Boston College.
„Typischerweise werden Elektronen durch Phononen gestreut, was zur üblichen Diffusionsbewegung von Elektronen in Metallen führt.“ Eine neue Theorie zeigt, dass Elektronen, wenn sie stark mit Phononen interagieren, eine vereinigte Elektron-Phonon-Flüssigkeit bilden. „Diese neuartige Flüssigkeit fließt im Metall genauso wie Wasser in einem Rohr.“
(Fazel Tafty, Boston College)
Oben: Ein kleiner Kristall des neuen Materials auf einem Gerät, wobei der Einschub die Atomanordnung zeigt.
Drei experimentelle Methoden bestätigten die von Tafti und seinen Kollegen aufgestellte Elektron-Photonen-Fluid-Hypothese. Die erste war die Messung des elektrischen Widerstands im Metall, die zeigte, dass seine Elektronen eine größere Masse hatten, als man normalerweise erwarten würde.
Zweite, Raman-Streuung Laseranalysen zeigten, dass sich die Schwingung von NbGe2 aufgrund des ungewöhnlichen Elektronenflusses veränderte, und schließlich enthüllten Röntgenbeugungstechniken die Kristallstruktur des Metalls.
Die Masse der Elektronen war dreimal größer als sie sein sollte, ein sogenannter Material-Mapping-Ansatz Quantenschwingungen zeigte: ein weiteres Zeichen dafür, dass die Elektronen und Phononen ungewöhnliches Verhalten verursachten.
„Das war wirklich überraschend, denn wir hatten in einem scheinbar einfachen Metall nicht mit derart ‚schweren Elektronen‘ gerechnet.“ sagt Tafty .
„Schließlich verstanden wir, dass die starke Elektron-Phonon-Wechselwirkung für das Verhalten schwerer Elektronen verantwortlich war.“ Da Elektronen stark mit Gitterschwingungen oder Phononen interagieren, werden sie vom Gitter „mitgerissen“ und es scheint, als hätten sie an Masse zugenommen und seien schwer geworden.
Davon gibt es derzeit jede Menge Forschungsinteresse in der Idee von Elektron-Phonon-Flüssigkeiten, auch wenn noch nicht ganz klar ist, welche Auswirkungen dies auf die elektronischen Geräte und Kommunikationssysteme der Zukunft haben könnte.
Diese neue Arbeit eröffnet viele interessante Optionen für die zukünftige Forschung. Als nächstes wollen die Forscher andere Materialien finden, die sich ähnlich wie NbGe2 verhalten, und an der Steuerung des Elektronenflusses für zukünftige Anwendungen arbeiten.
„Während die Elektron-Phonon-Streuung den Impuls des Elektrons in Metallen entspannt, kann ein ständiger Impulsaustausch zwischen Phononen und Elektronen den Gesamtimpuls erhalten und zu einer gekoppelten Elektron-Phonon-Flüssigkeit führen“, so die Forscher erklären in ihrer Studie .
„Eine solche Phase der Materie könnte eine Plattform für die Beobachtung der Elektronenhydrodynamik sein.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .