In neuartigem Metall fließen Elektronen mit flüssigkeitsähnlicher Dynamik

Forschungs-Ergebnisse bestätigen theoretische Vorhersagen, dass bestimmte metallische Proben eine flüssige Elektronen-Phononen-Phase aufweisen könnten

Ein Forscherteam des Boston College hat eine neue metallische Substanz entwickelt, in der die Bewegung der Elektronen wie Wasser in einem Rohr fließt – ein grundlegender Wechsel von teilchen- zu flüssigkeitsähnlicher Dynamik, berichtet das Team open access in Nature Communications. Fazel Tafti, Assistenzprofessor für Physik am Boston College, fand in Zusammenarbeit mit Kollegen von der University of Texas in Dallas und der Florida State University in dem Metallsupraleiter, einer Legierung aus Niob und Germanium (NbGe2), heraus, dass eine starke Wechselwirkung zwischen Elektronen und Phononen den Transport von Elektronen von einem diffusiven oder teilchenartigen zu einem hydrodynamischen oder flüssigkeitsartigen Zustand verändert.

Kleiner Kristall des neuen Materials, einer Synthese aus Niob und Germanium (NbGe2), auf einer Vorrichtung montiert, um das Verhalten der neuen Elektronen-Phononen-Flüssigkeit zu untersuchen – Einblendung zeigt die atomare Anordnung im Material – Bild © Fazel Tafti, Boston College, open access: CC BY-ND

Die Ergebnisse markieren die erste Entdeckung einer Elektronen-Phononen-Flüssigkeit in NbGe2, so Tafti: “Wir wollten eine kürzlich gemachte Vorhersage über eine ‘Elektron-Phonon-Flüssigkeit’ testen”. Er wies darauf hin, dass Phononen die Schwingungen einer Kristallstruktur sind. “Normalerweise werden Elektronen durch Phononen gestreut, was zu der üblichen diffusen Bewegung von Elektronen in Metallen führt. Eine neue Theorie zeigt, dass Elektronen, wenn sie stark mit Phononen wechselwirken, eine vereinigte Elektron-Phononen-Flüssigkeit bilden. Diese neuartige Flüssigkeit fließt im Inneren des Metalls genau so, wie Wasser in einem Rohr fließt”.

Der Experimentalphysiker Tafti, der mit seinem Kollegen Kenneth Burch, Professor für Physik am Boston College, Luis Balicas von der FSU und Julia Chan von der UT-Dallas zusammenarbeitet, bestätigt die Vorhersagen der Theoretiker und ist überzeugt, dass die Entdeckung die weitere Erforschung des Materials und seiner potenziellen Anwendungen vorantreiben wird.

Tafti merkte an, dass unser tägliches Leben vom Fluss des Wassers in Rohren und von Elektronen in Drähten abhängt. So ähnlich die beiden Phänomene auch klingen mögen, sie unterscheiden sich grundlegend. Wassermoleküle fließen als ein flüssiges Kontinuum, nicht als einzelne Moleküle, und gehorchen den Gesetzen der Hydrodynamik. Elektronen hingegen fließen als einzelne Teilchen und diffundieren in Metallen, da sie durch Gitterschwingungen gestreut werden.

Die Untersuchung des Teams, zu welcher der Doktorand Hung-Yu Yang, der 2021 an der BC promoviert, maßgeblich beigetragen hat, konzentrierte sich auf die Leitung von Elektrizität in dem neuen Metall NbGe2, so Tafti. Sie wendeten drei experimentelle Methoden an: Messungen des elektrischen Widerstands ergaben eine höhere Masse für Elektronen als erwartet; Raman-Streuung zeigte eine Verhaltensänderung in der Vibration des NbGe2-Kristalls aufgrund des speziellen Elektronenflusses; und Röntgenbeugung enthüllte die Kristallstruktur des Materials.

Durch die Verwendung einer speziellen Technik, die als “Quantenoszillationen” bekannt ist, um die Masse der Elektronen im Material zu bewerten, fanden die Forscher heraus, dass die Masse der Elektronen in allen Trajektorien dreimal größer war als der erwartete Wert, sagte Tafti. “Das war wirklich überraschend, weil wir solch ‘schwere Elektronen’ in einem scheinbar einfachen Metall nicht erwartet hatten. Schließlich haben wir verstanden, dass die starke Elektron-Phonon-Wechselwirkung für das Verhalten der schweren Elektronen verantwortlich ist. Da die Elektronen stark mit den Gitterschwingungen, den Phononen, wechselwirken, werden sie vom Gitter ‘mitgezogen’, und es scheint, als ob sie an Masse gewinnen und schwer werden.”

Laut Tafti besteht der nächste Schritt darin, andere Materialien in diesem hydrodynamischen Bereich zu finden, indem die Elektron-Phonon-Wechselwirkungen genutzt werden. Sein Team wird sich auch darauf konzentrieren, die hydrodynamische Flüssigkeit der Elektronen in solchen Materialien zu kontrollieren und neue elektronische Geräte zu entwickeln.

Aus Nature Communications:

Während die Elektron-Phonon-Streuung in Metallen den Impuls des Elektrons entspannt, kann ein ständiger Impulsaustausch zwischen Phononen und Elektronen den Gesamtimpuls erhalten und zu einer gekoppelten Elektron-Phonon-Flüssigkeit führen. Eine solche Materiephase könnte eine Plattform für die Beobachtung der Hydrodynamik von Elektronen sein. Hier präsentieren wir Beweise für eine Elektron-Phononen-Flüssigkeit in dem Übergangsmetall Ditetrelid, NbGe2, aus drei verschiedenen Experimenten. Erstens zeigen Quantenoszillationen eine erhöhte Quasiteilchenmasse, was bei NbGe2 mit schwachen Elektron-Elektron-Korrelationen unerwartet ist und somit auf Elektron-Phonon-Wechselwirkungen hinweist. Zweitens zeigen Messungen des spezifischen Widerstands eine Diskrepanz zwischen den experimentellen Daten und den Standardberechnungen für Fermi-Flüssigkeiten. Drittens zeigt die Raman-Streuung anomale Temperaturabhängigkeiten der Phononen-Linienbreiten, die zu einem empirischen Modell passen, das auf Phonon-Elektron-Kopplung basiert. Wir diskutieren strukturelle Faktoren wie chirale Symmetrie, kurze metallische Bindungen und eine Koordinationsumgebung mit geringer Symmetrie als potenzielle Konstruktionsprinzipien für Materialien mit gekoppelter Elektron-Phonon-Flüssigkeit.

->Quellen:

  • bc.edu/news-and-notes
  • eurekalert.org/927445
  • Hung-Yu Yang, Xiaohan Yao, Vincent Plisson, Shirin Mozaffari, Jan P. Scheifers, Aikaterini Flessa Savvidou, Eun Sang Choi, Gregory T. McCandless, Mathieu F. adlewski, Carsten Putzke, Philip J. W. Moll, Julia Y. Chan, Luis Balicas, Kenneth S. Burch & Fazel Tafti: Evidence of a coupled electron-phonon liquid in NbGe2, in: Nature Communications volume 12, Article number: 5292 (06.09.2021), Open Access