ETH-Forschende machen Wirbel beim Elektronenfluss sichtbar

An der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) ist erstmals die Wirbelbildung beim Elektronenfluss sichtbar gemacht worden. Die Forschenden in der Gruppe von Christian Degen konnten laut einer Mitteilung Elektronenwirbel in Graphen direkt nachweisen. Die Beobachtungen könnten als Grundlage für die Entwicklung effizienterer Elektronik mit niedrigem Stromverbrauch dienen. Der Energieverlust sinkt, wenn sich Elektronen in einem flüssigen Zustand befinden.

Für den Nachweis, dass sich Elektronen in einem Material wie Flüssigkeit verhalten, benutzten die Forschenden das extrem dünne Material Graphen, eine nur ein Atom „dicke“ Kohlenstofflage. Der Nachweis des Elektronenflusses wird bisher bei sehr niedrigen Temperaturen geführt. Den ETH-Forschenden gelang er bei Raumtemperatur.

Um die Wirbel sichtbar zu machen, massen die Wissenschaftler die winzigen Magnetfelder, die von den sich im Graphen bewegenden Elektronen erzeugt werden. Dazu verwendeten sie einen Quanten-Magnetfeldsensor, der aus einem sogenannten Stickstoff-Fehlstellen-Farbzentrum in der Spitze einer Diamantnadel besteht. „Durch die winzigen Dimensionen der Diamantnadel und den geringen Abstand von der Graphenschicht – nur etwa 70 Nanometer – konnten wir die Elektronenströme mit einer Auflösung von weniger als hundert Nanometern sichtbar machen“, wird Marius Palm zitiert, ein ehemaliger Doktorand in Degens Gruppe. Diese Auflösung reichte aus, um die Stromwirbel zu sehen.

„Im Moment ist der Nachweis der Elektronenwirbel Grundlagenforschung und es gibt noch viele offene Fragen“, so Palm weiter. Die von den ETH-Forschenden angewandte Nachweismethode sollte es möglich machen, auch andere Elektronen-Transportphänomene genauer zu studieren. Die Studie wurde im Fachblatt „Science" veröffentlicht. ce/gba