После многих лет поисков физики наблюдают, как электроны текут в водовороты, похожие на жидкость

Впервые физики стали свидетелями невероятно захватывающего явления: электроны образуют водовороты точно так же, как жидкость.

Такое поведение ученые давно предсказывали, но никогда раньше не наблюдали. И это может стать ключом к разработке более эффективной и быстрой электроники следующего поколения.

«Электронные вихри в теории ожидаются, но прямых доказательств нет, а увидеть — значит поверить», — говорит один из исследователей. За новым исследованием стоит физик Леонид Левитов из Массачусетского технологического института.

«Теперь мы это видели, и это явный признак того, что мы находимся в этом новом режиме, когда электроны ведут себя как жидкость, а не как отдельные частицы».

Пока электроны текут в вихре может показаться не таким новаторским, это большое дело, потому что течение, подобное жидкости, приводит к тому, что больше энергии доставляется в конечную точку, а не теряется в пути, когда электроны толкаются такими вещами, как примеси в материале или вибрации. в атомах.

«Мы знаем, что когда электроны переходят в жидкое состояние, диссипация [энергии] падает, и это представляет интерес для разработки маломощной электроники», — говорит Левитов. «Это новое наблюдение — еще один шаг в этом направлении».

Эта работа была совместным экспериментом Массачусетского технологического института, Института науки Вейцмана в Израиле и Университета Колорадо в Денвере.

>Конечно, мы уже знаем, что электроны могут отскакивать друг от друга и течь без сопротивления в сверхпроводниках, но это результат образования чего-то, известного как «куперовские пары», и это не настоящий пример коллективного движения электронов подобно жидкость.

Возьмем, к примеру, воду. Молекулы воды — это отдельные частицы, но они движутся как единое целое в соответствии с принципами гидродинамики, перенося друг друга по поверхности, образуя на своем пути потоки и водовороты.

Электрический ток, по сути, должен быть способен то же самое, но любое коллективное поведение электронов обычно подавляется примесями и колебаниями в нормальных металлах и даже полупроводниках. Эти «отвлечения» сбивают электроны с места во время их движения и мешают им вести себя подобно жидкости.

Давно было предсказано, что в особых материалах при температурах, близких к нулю, эти интерференции должны исчезнуть, позволяя электронам двигаться подобно жидкости… но проблема заключалась в том, что никто не смог доказать, что это действительно так. , до сих пор.

Есть две основные характеристики жидкости: линейный поток, когда все отдельные частицы движутся параллельно как одно целое; и формирование вихрей и водоворотов.

Первый наблюдался Левитовым и его коллегами из Манчестерского университета еще в 2017 году с использованием графена. На листах углерода толщиной в атом Левитов и его команда показали, что электрический ток может течь через точку защемления, как жидкость, а не как песчинки.

Но никто не видел второй особенности. «Наиболее поразительная и вездесущая особенность течения обычных жидкостей — образование вихрей и турбулентность — пока не наблюдается в электронных жидкостях, несмотря на многочисленные теоретические предсказания», — пишут исследователи.

Чтобы разобраться в этом , команда взяла чистые монокристаллы сверхчистого материала, известного как дителлурид вольфрама (WTe₂), и нарезала чешуйки толщиной в один атом.

Затем они выгравировали узор в центральном канале с круглыми камерами по обеим сторонам, создав «лабиринт», через который проходил электрический ток. Они выгравировали тот же узор на чешуйках золота, которое не обладает такими же сверхчистыми свойствами, как дителлурид вольфрама, и поэтому служило контролем.

(Аарон-Стейнберг et al., Nature, 2022)

Вверху: на диаграмме слева показано движение электронов в эксперименте с золотом ( Au) хлопья. На изображении справа показана модель поведения электронов, подобных жидкости.

После охлаждения материала примерно до -269 градусов Цельсия (4,5 Кельвина или -451,57 Фаренгейта). они пропускали через него электрический ток и измеряли поток в определенных точках по всему материалу, чтобы составить карту движения электронов.

В золотых хлопьях электроны текли по лабиринту, не меняя направления, даже когда ток прошел через каждую боковую камеру, прежде чем вернуться к основному току.

Напротив, внутри дителлурида вольфрама электроны протекали по каналу, а затем закручивались в каждую боковую камеру, создавая водовороты, прежде чем течь обратно. в основной канал – как и следовало ожидать от жидкости.

«Мы наблюдали изменение направления потока в камерах, где направление потока изменилось на противоположное по сравнению с направлением в центральной полосе. , — говорит Левитов.

— Это очень поразительно, и это одна и та же физика. sics как в обычных жидкостях, но происходит с электронами в наномасштабе. Это явный признак того, что электроны находятся в жидкообразном режиме.»

(Aharon-Steinberg et al., Nature, 2022)

Вверху: столбец слева показывает, как электроны текут через дителлурид вольфрама (WTe₂) по сравнению с гидродинамическим моделированием в левом столбце . 

Конечно, этот эксперимент проводился при сверхнизких температурах со специальным материалом — это не то, что будет происходить в ваших домашних гаджетах в ближайшее время. Были также ограничения по размеру камер и среднего канала.

Но это «первая прямая визуализация вращающихся вихрей в электрическом токе», как поясняется в пресс-релизе. Это не только подтверждение того, что электроны могут вести себя как жидкость, но и продвижение может помочь инженерам лучше понять, как использовать этот потенциал в своих устройствах. 

Исследование опубликовано в Nature.