Wenn Strom durch ein leitfähiges Material fließt, bringt dies Elektronen in Bewegung. Durch Kollisionen übertragen sie einen Teil ihrer Bewegungsenergie an das Kristallgitter des Materials und erzeugen Gitterschwingungen, die wiederum Wärme erzeugen. Zusammenstöße der Elektronen untereinander sind in klassischen metallischen Leitern dagegen deutlich seltener. Anders ist dies bei Graphen: In diesem zweidimensionalen Netz aus wabenförmig miteinander verknüpften Kohlenstoffatomen sorgen physikalische Effekte dafür, dass Gitterkollisionen kaum vorkommen, dafür aber die Elektronen ungewöhnlich stark miteinander interagieren. “Dieses vom kollektiven Verhalten der interagierenden Ladungsträger dominierte Regime kann seltsame Transportmerkmale hervorbringen wie eine Viskosität oder sogar Turbulenzen”, erklären Marius Palm von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) und seine Kollegen. Die Elektronen verhalten sich im Graphen dadurch wie eine Flüssigkeit.
Buchten am Graphenleiter als Wirbelfallen
Der Theorie nach müsste dieses flüssigkeitsähnliche Verhalten der Elektronen in Graphen und ähnlichen 2D-Materialien auch ein weiteres Phänomen hervorbringen: “Eine der bemerkenswertesten Vorhersagen der hydrodynamischen Theorie ist die Bildung von stationären Wirbeln”, berichten die Physiker. Diese müssten sich daran erkennen lassen, dass sich die Fließrichtung der Elektronen an dieser Stelle umkehrt. Doch diese Wirbel ließen sich noch nicht experimentell nachweisen – bis jetzt. Dem Team um Palm ist es nun erstmals gelungen, die Elektronenwirbel im Graphen sichtbar zu machen. Dafür verwendeten sie eine einen Mikrometer breite Graphen-Leiterbahn, in deren Rändern sie Ausbuchtungen mit Durchmessern zwischen 1,2 und drei Mikrometern einstanzten. Der Theorie nach müssten sich in den kleineren Ausbuchtungen Elektronenwirbel bilden können, in den größeren dagegen nicht.
Um dies zu überprüfen, nutzten die Forscher einen hochauflösenden Quanten-Magnetfeldsensor aus einem sogenannten Stickstoff-Fehlstellen-Farbzentrum in der Spitze einer Diamantnadel. An der Spitze der Nadel fehlt dabei ein Kohlenstoffatom, dafür sitzen dort ein Stickstoff-Atom und daneben eine freie Stelle im Gitter. Aus früheren Studien ist bekannt, dass die Quantenzustände von solchen Stickstoff-Fehlstellen sehr sensibel auf Magnetfelder reagieren. Indem man diese Quantenzustände mit einem Laser ausliest, kann man die Stärke dieser Felder sehr genau bestimmen. Für die Messung wird diese feine Nadelspitze ganz nah über die Graphenoberfläche gehalten und deren elektromagnetischer Zustand damit quasi abgetastet.
“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”, berichtet Palm. “Dank unseres hochempfindlichen und räumlich hochauflösenden Sensors mussten wir das Graphen für diese Beobachtungen nicht einmal abkühlen und konnten die Experimente bei Raumtemperatur durchführen.”
