Elektronen-Strudel: Wenn Elektrizität sich wie Wasser verhält

Forscher:innen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) gelang es erstmals, sogenannte „Elektronen-Strudel“ zu beobachten. Dabei handelt es sich um ein bizarres Verhalten, bei dem Elektrizität sozusagen als Flüssigkeit fließt. Dieses Phänomen könnte in Zukunft zur Entwicklung wesentlich effizienterer elektrischer Bauteile führen.

Strom als Flüssigkeit?

Aufgrund des Aufbaus von Elektrizität liegt eigentlich die Annahme nahe, dass ihr Fließverhalten dem von Wasser ähnelt. Während die Moleküle im Wasser allerdings stark miteinander interagieren und so zusammen fließen, sind die Elektronen in Strom wesentlich kleiner und daher mehr von ihrer Umgebung als von den sie umgebenden Elektronen beeinflusst. Allerdings geht die Wissenschaft schon länger davon aus, dass die Elektronen in Strom unter idealen Bedingungen (Temperaturen dicht am absoluten Nullpunkt sowie reine Materialien) derart von Quanteneffekten beeinflusst werden, dass sie als eine Art „Elektronenflüssigkeit“ fließen können und die Viskosität von Honig aufweisen. Wenn es gelänge, diesen Zustand zu nutzen, würde dies effizientere Elektrogeräte ermöglichen, in denen der Strom mit weniger Widerstand fließt.

Erster Nachweis von Elektronen-Strudeln

Forscher:innen des MIT gelang es, deutliche Hinweise auf eine Art dieser „Elektronen-Flüssigkeit“ zu beobachten – nämlich sogenannte „Elektronen-Strudel“. Strudel sind ein Phänomen, das in Flüssigkeiten öfter beobachtet werden kann. Allerdings können Elektronen in der Regel keine solche Strudel ausbilden. Die Forscher:innen beobachteten dieses Phänomen auf Elektronenbasis nun allerdings in Kristallen aus Wolfram-Ditellurid.

„Tungsten ditelluride is one of the new quantum materials where electrons are strongly interacting and behave as quantum waves rather than particles. In addition, the material is very clean, which makes the fluid-like behavior directly accessible„, so Leonid Levitov, Koautor der Studie.

Die Forscherinnen brachten einen engen Kanal mit einer runden Kammer an jeder Seite in das Material ein und ließen dann eine Spannung hindurchfließen. Währenddessen maßen sie den Fluss der Elektronen. In Materialien wie Gold fließen die Elektronen in diesem Aufbau in die gleich Richtung während sie sich in den Kammern ausbreiten und dann zurück in den Mittelkanal fließen. Im Wolfram-Ditellurid allerdings konnten die Forscher eine Art Strudelbewegung der Elektronen in den Kammern beobachten.

„Electron vortices are expected in theory, but there’s been no direct proof, and seeing is believing. Now we’ve seen it, and it’s a clear signature of being in this new regime, where electrons behave as a fluid, not as individual particles„, so Levitov.

Es handelt sich hierbei um reine Grundlagenforschung – sozusagen der erste Beweis einer bereits länger existierenden Vorhersage. Aber auf diese können andere Teams aufbauen, um das Phänomen dann in eine praktische Anwendung zu überführen.

via MIT