Elektronen werden beim Umfahren der Kurve gefangen – Physics World

Inspiriert durch den Luftstrom um Flugzeugflügel haben Forscher in den USA zum ersten Mal fotoangeregte Elektronen abgebildet, die um scharfe Kurven strömen. Da solche Biegungen häufig in integrierten optoelektronischen Schaltkreisen zu finden sind, könnte die Beobachtung der „Stromlinien“ der Elektronen zu Verbesserungen im Schaltkreisdesign führen.

Vor mehr als 80 Jahren zeigten die Physiker William Shockley und Simon Ramo theoretisch, dass die Stromlinien von Elektronen lokal komprimiert werden, wenn sie sich um Kurven bewegen, wodurch Wärme entsteht. Bisher konnte dieser Effekt jedoch noch nicht direkt gemessen werden, da es so schwierig ist, die Stromlinien von Elektronenphotoströmen – also durch Licht induzierte elektrische Ströme – durch ein funktionierendes Gerät zu beobachten.

In der neuen Arbeit, die in der beschrieben wird Proceedings of the National Academy of Sciences, Forscher unter der Leitung von Physikern Nathaniel Gabor und David Mayes dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Universität von Kalifornien, Riverside bauten ein mikromagnetisches Heterostrukturgerät aus einer Platinschicht auf einem Yttrium-Eisen-Granat-Substrat (YIG) und platzierten es in einem rotierenden Magnetfeld. Anschließend richteten sie einen Laserstrahl auf das YIG, wodurch sich das Gerät erhitzte und ein Phänomen auslöste, das als Photo-Nernst-Effekt bekannt ist. Es ist dieser Effekt, der den Photostrom erzeugt.

Beobachten des Gesamtmusters der Stromlinien

Durch die Änderung der Richtung des externen Magnetfelds „injiziert das Team den Strom so, dass wir nicht nur den Ort seiner Quelle, sondern auch seine Richtung steuern“, erklärt Mayes. Darüber hinaus fügt er hinzu: „Es stellt sich heraus, dass man, wenn man die elektronische Reaktion immer wieder misst, am Ende das Gesamtmuster der Stromlinien beobachtet.“

Um die Leistungsfähigkeit ihrer Technik zu demonstrieren, wiederholten die Forscher die Experimente an einem modifizierten Gerät namens Elektrofolie, das es ihnen ermöglichte, die Stromlinien des Photostroms auf die gleiche Weise zu verzerren, zu komprimieren und auszudehnen, wie Flugzeugflügel den Luftstrom verzerren, komprimieren und ausdehnen. In beiden Szenarien stellen die Stromlinien die Strömungsrichtung dar, die an jedem Punkt die größte Reaktion hervorruft, wie durch den Satz von Shockley und Ramo vorhergesagt.

„Bereits in den späten 1930er Jahren erkannten diese beiden bedeutenden Physiker, dass eine freie Ladung in einem Gerät nicht unbedingt eine Elektrode erreichen muss, um eine elektrische Reaktion auszulösen“, erzählt Mayes Physik-Welt. „Stattdessen wirkt sich die Bewegung der freien Ladungen aufgrund der Coulomb-Kraft auf alle anderen Ladungen im Gerät aus.

„Shockley und Ramo konnten zeigen, dass die Stromlinien nicht nur die ‚bevorzugte‘ Stromrichtung für das Gerät veranschaulichen, sondern auch das Muster des Stromflusses durch das Gerät darstellen, als hätten wir einfach ein Ende des Geräts vorgespannt und geerdet.“ andere."

Hotspots vermeiden

Gabor weist darauf hin, dass die Möglichkeit, zu bestimmen, wo Stromflussleitungen in einem Gerät komprimiert werden, Schaltungsdesignern dabei helfen könnte, die Entstehung solcher lokaler Hotspots zu vermeiden. „Die Ergebnisse unserer Studie legen auch nahe, dass Sie in Ihrem Stromkreis keine scharfen Biegemerkmale haben sollten“, sagt er und fügt hinzu, dass allmählich gebogene Drähte „derzeit nicht der Stand der Technik“ seien.

Elektronen erwärmen sich bei der ersten Beobachtung des Spin-Nernst-Effekts

Die Forscher erforschen nun Möglichkeiten, die Auflösung ihrer Technik zu erhöhen und testen gleichzeitig neue Geräte und Materialien. Insbesondere möchten sie Stromlinien in Geräten messen, die in Geometrien wie einem „Tesla-Ventil“ gestaltet sind, das den Elektronenfluss in eine Richtung beschränkt.

„Unser Messwerkzeug ist eine leistungsstarke Möglichkeit, optoelektronische Ladungsflussgeräte zu visualisieren und zu charakterisieren“, sagt Gabor. „Wir hoffen, unsere Ideen in Richtung neuer Materialien voranzutreiben, die sowohl magnetische Nernst-ähnliche Effekte als auch unkonventionelles Stromflussverhalten beinhalten.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/electrons-caught-going-around-the-bend/