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.
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.»
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.
Математика, которую Альберт Эйнштейн разработал для описания гравитационного механизма физической Вселенной в начале 20 века,…
В последние годы астрономы разработали методы измерения содержания металлов в звездах с чрезвычайной точностью. Обладая…
Какими бы эффективными ни были электронные системы хранения данных, они не имеют ничего общего с…
В 1896 году немецкий химик Эмиль Фишер заметил нечто очень странное в молекуле под названием…
Если вам посчастливилось наблюдать полное затмение, вы наверняка помните ореол яркого света вокруг Луны во…
В ранней Вселенной, задолго до того, как они успели вырасти, астрономы обнаружили то, что они…