Категории: Новости

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.

Виктория Ветрова

Космос полон тайн...

Недавние Посты

Самая известная теория Эйнштейна только что преодолела самый большой вызов за всю историю

Математика, которую Альберт Эйнштейн разработал для описания гравитационного механизма физической Вселенной в начале 20 века,…

21.11.2024

Почти треть всех звезд может содержать остатки планет, подобных Земле

В последние годы астрономы разработали методы измерения содержания металлов в звездах с чрезвычайной точностью. Обладая…

20.11.2024

Новая технология печати ДНК может произвести революцию в том, как мы храним данные

Какими бы эффективными ни были электронные системы хранения данных, они не имеют ничего общего с…

19.11.2024

У этого странного кристалла две точки плавления, и мы наконец знаем, почему

В 1896 году немецкий химик Эмиль Фишер заметил нечто очень странное в молекуле под названием…

19.11.2024

Ученые впервые раскрыли форму короны черной дыры

Если вам посчастливилось наблюдать полное затмение, вы наверняка помните ореол яркого света вокруг Луны во…

19.11.2024

Ученые обнаружили галактики-монстры, скрывающиеся в ранней Вселенной

В ранней Вселенной, задолго до того, как они успели вырасти, астрономы обнаружили то, что они…

19.11.2024