Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektronenflüsse

17.03.2016

Üblicherweise ist die Bewegung von Elektronen in einem realen Material ziemlich verschieden vom Wasserstrom in einem Fluss. Doch in außergewöhnlichen Materialien, wie dem Metalloxid PdCoO2, können solche „Elektronenflüsse” existieren, wie theoretisch vor mehr als fünfzig Jahren vorhergesagt und jetzt von Wissenschaftlern des MPI CPfS demonstriert.

Schon als die Elektrizität entdeckt wurde, hatten die Wissenschaftler ein Bild aus dem Alltag vor Augen, dass Elektronen in einem Metall wie Wasser in einem Rohr fließen.


Einer der erzeugten „Elektronenflüsse": Die Strömung erfolgt entlang des lila-Kanals und wird mit Instrumenten untersucht, die mit den farbigen Teilen der Vorrichtung verbunden sind.

MPI CPfS

Obwohl wir dieses Bild noch immer in der Sprache verwenden (ein elektrischer „Strom“ „fließt“), wissen wir mittlerweile, dass diese Vorstellung eigentlich nicht zutrifft: Die Bewegung der Elektronen wird ständig dadurch gestört, dass sie mit den Atomen zusammenprallen, aus denen das Metall besteht. Der Ablauf dieser elektronischen Fließprozesse ist deshalb nicht annähernd so aufregend wie die von Flüssigkeiten, die wir als Wellen, Wirbel und Turbulenzen beobachten können, wenn wir an einem Fluss sitzen.

Damit "Elektronenflüsse" existieren können, muss man außergewöhnliche Materialien finden, in denen die Kollisionen der Elektronen mit den Atomen tausendfach schwächer als üblich sind. Obwohl diese Möglichkeit - bekannt unter dem Begriff "elektronische Hydrodynamik" - vor mehr als fünfzig Jahren theoretisch vorhergesagt wurde, konnte dieses ungewöhnliche Verhalten erst jetzt in einem Material beobachtet werden.

In der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Science (Band 351, 4. März 2016; siehe auch den “Perspectives” Artikel von J. Zaanen), berichten gleichzeitig drei Artikel von experimentellen Erfolgen: Die Gruppen von Philip Kim in Harvard und Andre Geim in Manchester arbeiteten mit Graphen, der Beitrag der Gruppen von Andrew Mackenzie und Philip Moll vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe Dresden basiert jedoch auf einem Metalloxid.

Das Material unserer Wahl, PdCoO2, weist eine erstaunlich hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Diese hohe Leitfähigkeit ist ein Indiz für eine sehr geringe Störung der Elektronen durch die Atome in diesem Material und hat uns motiviert, hier nach hydrodynamischen Effekten zu suchen. Dabei haben wir nach einem Phänomen gesucht, das jeder kennt, der in Flüssen baden war: Flüsse fließen am Ufer langsamer als in der Mitte des Flusses. Dieser Effekt entsteht durch den Zusammenstoß der Wassermoleküle mit dem Ufer, dem Rand des Flusses.

Auch „Elektronenflüsse“ sollten durch diese Zusammenstöße mit dem „Ufer“, also der Oberfläche eines Drahts, ähnlich beeinträchtigt werden. Um deren Anwesenheit aufzudecken, frästen wir sukzessive engere Kanäle in das Material und untersuchten, wie leicht die Elektronen durch sie fließen konnten.

Durch Vergleich unserer Ergebnisse mit theoretischen Modellen hydrodynamischer Effekte konnten wir zeigen, dass wir in der Tat die lange vorhergesagten Elektronenflüsse erzeugen können. Unsere Erkenntnisse setzen neue Maßstäbe bei der Erforschung, wie sich Elektronen in ultrareinen Materialien verhalten. Die in der Strömung des Wassers vorhandene Vielfalt könnte auch für den Fluss von Elektronen beobachtbar sein, und etwas von dieser Reichhaltigkeit könnte eines Tages zur Erfindung von neuen elektronischen Geräten führen. Wir hoffen, eine führende Rolle bei diesen Entwicklungen zu spielen.

Das Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS) in Dresden forscht mit dem Ziel, neue Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu entdecken und zu verstehen. Gemeinsam untersuchen Chemiker und Physiker, Synthetiker, Experimentatoren und Theoretiker mit modernsten Instrumenten und Methoden, wie sich die chemische Zusammensetzung, die Anordnung der Atome sowie äußere Kräfte auf die magnetischen, elektronischen und chemischen Eigenschaften der Verbindungen auswirken. Neue Quantenmaterialien, -effekte und Materialien für Energieumwandlung sind das Ergebnis dieser interdisziplinären Zusammenarbeit.

Das MPI CPfS ist Teil der Max-Planck-Gesellschaft und wurde 1995 in Dresden gegründet. Es beschäftigt rund 280 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, davon etwa 180 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler inklusive 70 Promovierende.

Weitere Informationen:

http://www.cpfs.mpg.de/2664354/20160310

Ingrid Rothe | Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Studie InLight: Einblicke in chemische Prozesse mit Licht
22.11.2016 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Eigenschaften von Magnetmaterialien gezielt ändern
16.11.2016 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Flüssiger Wasserstoff im freien Fall

05.12.2016 | Maschinenbau

Forscher sehen Biomolekülen bei der Arbeit zu

05.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungsnachrichten