Chociaż są dyskretnymi cząsteczkami, cząsteczki wody przepływają zbiorowo jako ciecze, wytwarzając strumienie, fale, wiry i inne klasyczne zjawiska płynów.
Nie tak z elektrycznością. Chociaż prąd elektryczny jest również konstrukcją odrębnych cząstek – w tym przypadku elektronów – cząstki są tak małe, że wszelkie zbiorowe zachowanie między nimi jest zagłuszane przez większe wpływy, gdy elektrony przechodzą przez zwykłe metale. Jednak w niektórych materiałach iw określonych warunkach takie efekty zanikają, a elektrony mogą bezpośrednio na siebie wpływać. W takich przypadkach elektrony mogą płynąć zbiorowo jak płyn.
Teraz fizycy z MIT i Instytutu Nauki Weizmanna zaobserwowali elektrony płynące w wirach lub wirach – cecha charakterystyczna przepływu płynów, którą teoretycy przewidywali, że powinny wykazywać elektrony, ale nigdy wcześniej tego nie widziano.
„W teorii oczekuje się wirów elektronowych, ale nie ma bezpośredniego dowodu, a widzenie jest uwierzeniem” – mówi Leonid Levitov, profesor fizyki w MIT. „Teraz to widzieliśmy i jest to wyraźna sygnatura bycia w tym nowym reżimie, w którym elektrony zachowują się jak płyn, a nie jak pojedyncze cząstki”.
Obserwacje przedstawione w czasopiśmie Nature mogą pomóc w projektowaniu wydajniejszej elektroniki.
„Wiemy, kiedy elektrony przechodzą w stan płynny, [energy] rozpraszanie spada i jest to interesujące przy próbach projektowania elektroniki o niskim poborze mocy”, mówi Levitov. „Ta nowa obserwacja jest kolejnym krokiem w tym kierunku”.
Levitov jest współautorem nowego artykułu wraz z Eli Zeldovem i innymi z Instytutu Nauki Weizmanna w Izraelu i Uniwersytetu Kolorado w Denver.
Zbiorowy ścisk
Kiedy prąd przepływa przez większość zwykłych metali i półprzewodników, na pęd i trajektorie elektronów w prądzie wpływają zanieczyszczenia w materiale i wibracje pomiędzy atomami materiału. Procesy te dominują w zachowaniu elektronów w zwykłych materiałach.
Ale teoretycy przewidzieli, że przy braku takich zwykłych, klasycznych procesów, efekty kwantowe powinny przejąć kontrolę. Mianowicie, elektrony powinny wychwytywać nawzajem swoje delikatne zachowania kwantowe i poruszać się jako lepki, podobny do miodu płyn elektronowy. Takie zachowanie przypominające ciecz powinno pojawić się w ultraczystych materiałach iw temperaturach bliskich zeru.
W 2017 r. Levitov i współpracownicy z University of Manchester zgłosili sygnatury takiego płynnego zachowania elektronów w grafenie, cienkiej jak atom warstwie węgla, na której wytrawiono cienki kanał z kilkoma punktami zaciskania. Zaobserwowali, że prąd płynący przez kanał może przepływać przez przewężenia z niewielkim oporem. Sugerowało to, że elektrony w prądzie były w stanie wspólnie przeciskać się przez punkty ściskania, podobnie jak płyn, a nie zatykać, jak pojedyncze ziarna piasku.
Ta pierwsza wskazówka skłoniła Levitova do zbadania innych zjawisk płynów elektronowych. W nowym badaniu on i koledzy z Instytutu Nauki Weizmanna starali się zwizualizować wiry elektronowe. Jak piszą w swoim artykule, „najbardziej uderzająca i wszechobecna cecha w przepływie płynów regularnych, tworzenie wirów i turbulencji, nie została jeszcze zaobserwowana w płynach elektronowych pomimo licznych przewidywań teoretycznych”.
Przepływ kanałowy
Aby zwizualizować wiry elektronowe, zespół przyjrzał się ditellurydowi wolframu (WTe2), ultraczystemu związkowi metalicznemu, który, jak stwierdzono, wykazuje egzotyczne właściwości elektroniczne, gdy jest izolowany w postaci dwuwymiarowej o grubości pojedynczego atomu.
„Ditellurid wolframu jest jednym z nowych materiałów kwantowych, w których elektrony silnie oddziałują i zachowują się jak fale kwantowe, a nie cząstki” – mówi Levitov. „Ponadto materiał jest bardzo czysty, co sprawia, że zachowanie przypominające płyn jest bezpośrednio dostępne”.
Naukowcy zsyntetyzowali czyste monokryształy ditelluridu wolframu i złuszczyli cienkie płatki materiału. Następnie wykorzystali litografię wiązką elektronów i techniki trawienia plazmowego, aby ułożyć każdy płatek w środkowym kanale połączonym z okrągłą komorą po obu stronach. Wytrawili ten sam wzór w cienkie płatki złota – standardowego metalu o zwykłych, klasycznych właściwościach elektronicznych.
Następnie przepuszczali prąd przez każdą próbkę z wzorem w ultraniskich temperaturach 4,5 kelwina (około -450 stopni Fahrenheita) i zmierzyli przepływ prądu w określonych punktach w każdej próbce, używając do skanowania nanoskalowego nadprzewodzącego urządzenia interferencji kwantowej (SQUID) na końcówce. To urządzenie zostało opracowane w laboratorium Zeldova i mierzy pola magnetyczne z niezwykle wysoką precyzją. Używając urządzenia do skanowania każdej próbki, zespół był w stanie szczegółowo zaobserwować, jak elektrony przepływają przez kanały z wzorami w każdym materiale.
Naukowcy zaobserwowali, że elektrony przepływające przez kanały ze wzorem w płatkach złota robiły to bez zmiany kierunku, nawet gdy część prądu przeszła przez każdą komorę boczną, zanim ponownie połączyła się z prądem głównym. W przeciwieństwie do tego, elektrony przepływające przez ditelluryd wolframu przepływały przez kanał i wirowały do każdej komory bocznej, podobnie jak robiłaby to woda po opróżnieniu do miski. Elektrony tworzyły małe wiry w każdej komorze, zanim wypłynęły z powrotem do głównego kanału.
„Zaobserwowaliśmy zmianę kierunku przepływu w komorach, gdzie kierunek przepływu odwrócił kierunek w porównaniu z kierunkiem w pasie centralnym” – mówi Levitov. „To bardzo uderzająca rzecz i jest to ta sama fizyka, co w przypadku zwykłych płynów, ale dzieje się z elektronami w nanoskali. To wyraźna sygnatura elektronów znajdujących się w reżimie podobnym do płynu”.
Obserwacje grupy są pierwszą bezpośrednią wizualizacją wirujących wirów w prądzie elektrycznym. Odkrycia stanowią eksperymentalne potwierdzenie fundamentalnej właściwości zachowania elektronów. Mogą również dostarczyć wskazówek, w jaki sposób inżynierowie mogą projektować urządzenia o małej mocy, które przewodzą prąd w bardziej płynny, mniej rezystancyjny sposób.
Badania te były częściowo wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, niemiecko-izraelską Fundację Badań Naukowych i Rozwoju oraz Izraelską Fundację Nauki.