Eine Studie, die zeigt, wie Elektronen um scharfe Biegungen fließen, wie sie beispielsweise in integrierten Schaltkreisen vorkommen, hat das Potenzial, die Konstruktion dieser Schaltkreise, die üblicherweise in elektronischen und optoelektronischen Geräten verwendet werden, zu verbessern.
Seit etwa 80 Jahren ist theoretisch bekannt, dass sich Elektronen bei ihrer Bewegung in Kurven tendenziell erwärmen, weil ihre Fließlinien lokal gequetscht werden. Bisher hatte jedoch niemand die Wärme gemessen, wozu zunächst die Abbildung der Strömungslinien erforderlich ist.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Nathaniel M. Gabor von der University of California, Riverside, bildete Stromlinien elektrischen Stroms ab, indem es eine „Elektrofolie“ entwarf, einen neuen Gerätetyp, der die Verzerrung, Kompression und Ausdehnung von Stromlinien elektrischer Ströme ermöglicht Auf die gleiche Weise verformen, komprimieren und erweitern Flugzeugflügel den Luftstrom.
„Elektrische Ladung bewegt sich ähnlich wie Luft über die Oberfläche eines Flugzeugflügels strömt“, sagte Gabor, Professor für Physik und Astronomie. „Während es einfach ist, sich den Luftstrom beispielsweise anhand von Rauch- oder Dampfströmen in einem Windkanal vorzustellen, wie man es oft in Autowerbespots sieht, ist es weitaus schwieriger, sich die Stromlinien elektrischer Ströme vorzustellen.“
Gabor sagte, das Team habe Laserbildgebung mit neuartigen lichtempfindlichen Geräten kombiniert, um die ersten Bilder von Photostromstromlinien durch ein funktionierendes Gerät zu erstellen. Ein Photostrom ist ein elektrischer Strom, der durch die Einwirkung von Licht induziert wird.
„Wenn man weiß, wie die Elektronen fließen, kann man verhindern, dass sie schädliche Auswirkungen haben, wie zum Beispiel die Erwärmung des Stromkreises“, sagte Gabor. „Mit unserer Technik können Sie jetzt genau beurteilen, wo und wie die Elektronen fließen, was uns ein leistungsstarkes Werkzeug zur Visualisierung, Charakterisierung und Messung des Ladungsflusses in optoelektronischen Geräten gibt.“
Der Forschungsbericht trägt den Titel „Mapping the intrinsic photocurrent streamlines through micromagnetic heterostructure devices“ und erscheint im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Gabor erklärte, dass sich Elektronen erwärmen, wenn sie kinetische Energie gewinnen. Letztendlich erhitzen sie das Material um sie herum, beispielsweise Drähte, bei denen die Gefahr besteht, dass sie schmelzen.
„Wenn in Ihrem Computer eine Hitzespitze auftritt, beginnen Ihre Schaltkreise abzusterben“, sagte er. „Deshalb schalten sich unsere Computer bei Überhitzung aus. Dies dient dem Schutz von Schaltkreisen, die durch die Wärmeableitung in den Metallen beschädigt werden könnten.“
Gabors Team entwarf die Elektrofolien im Labor als kleine Flügelformen in nanoskaligen Geräten, die die Elektronen um sie herum fließen lassen, ähnlich wie Luftmoleküle um einen Flugzeugflügel strömen.
„Wir wollten eine Form, die uns unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten ermöglicht, etwas mit einer kontinuierlichen Krümmung“, sagte Gabor.
„Wir haben uns von Flugzeugflügeln inspirieren lassen, die eine allmähliche Krümmung aufweisen. Wir haben den Strom gezwungen, um das Elektrofoil zu fließen, das unterschiedliche Flugwinkel bietet. Je schärfer der Winkel, desto stärker die Kompression der Strömungslinien. In immer mehr Materialien.“ „Wir fangen an zu entdecken, dass sich Elektronen wie Flüssigkeiten verhalten. Anstatt also Geräte zu entwerfen, die beispielsweise auf dem elektrischen Widerstand basieren, können wir einen Ansatz verfolgen, bei dem wir die Installation im Hinterkopf haben, und Rohrleitungen entwerfen, durch die Elektronen fließen können.“
In ihren Experimenten verwendeten Gabor und seine Kollegen eine Mikroskopiemethode, die ein gleichmäßiges rotierendes Magnetfeld verwendet, um Photostromstromlinien durch ultradünne Geräte aus einer Platinschicht auf Yttrium-Eisen-Granat (YIG) abzubilden. YIG ist ein Isolator, ermöglicht jedoch einen Magnetfeldeffekt, wenn eine dünne Platinschicht darauf geklebt wird.
„Der Magnetfeldeffekt zeigt sich nur an der Grenzfläche zwischen diesem Granatkristall und Platin“, sagte Gabor. „Wenn man das Magnetfeld kontrollieren kann, kontrolliert man auch den Strom.“
Um einen Photostrom in die gewünschte Richtung zu erzeugen, richteten die Forscher einen Laserstrahl auf YIG, wobei der Laser als lokale Wärmequelle diente. Ein als „Photo-Nernst-Effekt“ bekannter Effekt erzeugt den Photostrom, dessen Richtung durch das äußere Magnetfeld gesteuert wird.
„Die direkte Bildgebung zur Verfolgung von Photostromlinien in quantenoptoelektronischen Geräten bleibt eine zentrale Herausforderung beim Verständnis des Verhaltens exotischer Geräte“, sagte Gabor. „Unsere Experimente zeigen, dass die Photostrom-Stromlinienmikroskopie ein robustes neues experimentelles Werkzeug zur Visualisierung eines Photostroms in Quantenmaterialien ist. Dieses Werkzeug hilft uns zu untersuchen, wie sich Elektronen schlecht verhalten.“
Gabor erklärte, dass es bekannt sei, dass sich Elektronen unter bestimmten Bedingungen, insbesondere in sehr kleinen Geräten, auf „seltsame Weise“ verhalten.
„Unsere Technik kann jetzt genutzt werden, um sie besser zu untersuchen“, sagte er. „Wenn ich versuchen würde, einen integrierten Schaltkreis zu entwerfen, und wissen wollte, wo die Wärme darin entstehen könnte, würde ich gerne wissen, wo die Stromflusslinien gequetscht werden. Unsere Technik kann beim Entwurf von Schaltkreisen helfen und abschätzen, was zu vermeiden ist, und empfiehlt, dies zu tun.“ Ihre Drähte dürfen keine scharfen Krümmungen aufweisen. Die Drähte sollten allmählich gebogen werden. Aber das ist derzeit nicht der Stand der Technik.“
Mehr Informationen:
David Mayes et al., Kartierung der intrinsischen Photostromlinien durch mikromagnetische Heterostrukturgeräte, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2221815120