Eine abstrakte Simulation kollidierender Teilchen. Ramberg / iStock
Jemand hat einmal gesagt: "Sei wie Wasser."
Und ein Forscherteam hat dies wörtlich genommen und ein neues metallisches Objekt geschmiedet, in dem Elektronen frei fließen können, wie Wasser in einem Rohr, das einen grundlegenden Drehpunkt im Verhalten von teilchen- zu flüssigkeitsähnlicher Dynamik bietet, laut eine aktuelle Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurdeNaturkommunikation.
Dies könnte zu einer neuen Generation elektronischer Geräte führen.
Ein neues Material lässt Elektronen 'wie Wasser' fließen
Bei der Erforschung eines metallischen Supraleiters aus Germanium und Niob NbGe2 entdeckten Fazel Tafti, Assistenzprofessor für Physik am Boston College, zusammen mit Kollegen von der Florida State University und der University of Texas in Dallas, dass eine starke Wechselwirkung zwischen Phononen und Elektronen verändertder Transport von Elektronen aus ihrer typischen, teilchenähnlichen oder diffusiven Bewegung zu einer hydrodynamischen, flüssigkeitsähnlichen Bewegung. Und dies ist die erste Entdeckung einer Elektron-Phonon-Flüssigkeit innerhalb der NbGe2-Substanz, sagte Tafti in einem Embargo"Wir wollten eine aktuelle Vorhersage der 'Elektronen-Phonon-Flüssigkeit' testen", fügte er in der Pressemitteilung hinzu und betonte, wie Phononen die Schwingung einer Kristallstruktur sind. "Normalerweise werden Elektronen von Phononen gestreut, was zuübliche Diffusionsbewegung von Elektronen in Metallen. Eine neue Theorie zeigt, dass Elektronen bei starker Wechselwirkung mit Phononen eine vereinigte Elektron-Phonon-Flüssigkeit bilden."
"Diese neuartige Flüssigkeit wird im Metall genau so fließen, wie Wasser durch ein Rohr fließt", fügte Tafti in der Pressemitteilung hinzu. Bei der Überprüfung der Vorhersagen glauben Tafti und seine Kollegen, dass diese Entdeckung weitere Analysen anregen wirddes neuartigen Materials, um seine vielfältigen Anwendungen zu identifizieren.Elektronen in elektrischen Leitungen, und obwohl sich dieses "Pipeline"-Format in beiden Fällen ähnlich anhört, unterscheiden sie sich in Wirklichkeit stark. Wasser fließt als Kontinuum von Flüssigkeit und nicht als diskrete Moleküle, nach den Gesetzen der Hydrodynamik. Im Gegensatz dazu fließen Elektronen hartnäckigals diskrete Partikel und diffundieren innerhalb von Metallen, wenn sie durch Gitterschwingungen aufgespalten werden.
Die Reproduktion von Elektronen mit Hydrodynamik in anderen Materialien könnte zu neuer Elektronik führen
Das Forschungsteam setzte drei experimentelle Methoden ein, um die Elektrizitätsleitung in dem neuartigen Metall hervorzuheben, erklärte Tafti. Die Raman-Streuung zeigte die Änderung der Bewegung in der Schwingung des NbGe2-Kristalls, die durch den speziellen flüssigkeitsähnlichen Elektronenfluss verursacht wird.Messungen des spezifischen elektrischen Widerstands ergaben eine überschüssige Masse für Elektronen und Röntgenbeugung enthüllt die Kristallstruktur des Materials. Eine Technik namens "Quantenoszillationen" erwies sich als besonders nützlich bei der Bestimmung der Masse von Elektronen im Material, die es den Forschern ermöglichte, zu sehen, dass die Masse der Elektronen in allen Flugbahnen dreimal so hoch war, wie sie es erwartet hatten. "Das war wirklich überraschend, weil wir es tatenErwarten Sie solche 'schweren Elektronen' in einem scheinbar einfachen Metall nicht", erklärte Tafti in der Pressemitteilung. "Schließlich haben wir verstanden, dass die starke Elektron-Phonon-Wechselwirkung für das Verhalten der schweren Elektronen verantwortlich ist."
"Da Elektronen stark mit Gitterschwingungen oder Phononen wechselwirken, werden sie vom Gitter 'geschleppt' und es sieht so aus, als hätten sie an Masse gewonnen und sind schwer geworden." Es versteht sich von selbst, dass dies eine monumentale Leistung ist. TaftisDer nächste Schritt besteht seiner Meinung nach darin, Mittel zur Kontrolle des hydrodynamischen Fluids von Elektronen in anderen Materialien neben NbGe2 zu suchen, was zu eine neue Generation elektronischer Geräte deren Elektronen sich im Flüssigkeitsregime bewegen können.