Om du ser människor gå ner på en gata och komma till en korsning, Det är svårt att förutse vilken riktning de kan ta. Men, om du ser människor sitta i separata båtar, flyter nerför en bäck, och strömmen delar sig i två kanaler, det är troligt att de flesta, om inte alla, av dem kommer att föras ner en kanal, kanalen som har det starkare flödet.

Forskare vid Quantum Dynamics Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) tittar på något liknande, men deras forskning är i mycket mindre skala. De kör experiment för att se hur elektronernas rörelse påverkas av vätska. Denna studie publicerades i Fysiska granskningsbrev .

Professor Denis Konstantinov, som driver enheten, demonstrerade konceptet med en bit tråd. "Om vi ​​driver en elektrisk ström genom en tråd, då vet vi att elektronerna kommer att röra sig från ena änden till den andra. Om vi ​​delar tråden i två, hälften av elektronerna kommer att flöda ner på ena sidan, och den andra halvan kommer att flöda ner den andra. "

Detta beror på Ohms lag, en fysiklag, som säger att elektrisk ström är proportionell mot spänning och omvänt proportionell mot motstånd, så om motståndet fördelar sig lika mellan två kanaler, hälften av elektronerna går ner för varje kanal.

"Men, "Professor Konstantinov förklarade." Om elektronerna sitter på vätska, snarare än i en fast, de kan bryta Ohms lag. Det var det vi ville mäta. "

Denna teori kommer från begreppet en polaron, som är en elektron som är "klädd" av ett moln av mediet den sitter i. Detta gör det tyngre, långsammare och ändrar sitt beteende. Tidigare har polaroner diskuterats när det gäller joniska kristaller i fasta ämnen, men mycket mer sällan i vätskor.

Forskarna använde superfluid helium, som har flera unika egenskaper. Till exempel, det förblir i flytande form vid temperaturer ner till absolut noll, när någon annan vätska skulle frysa, och beter sig som vätska med noll viskositet, eller inget motstånd. Elektroner skulle bara kunna sitta ovanpå, snarare än att sjunka. Således, det gav forskarna ett 2-D elektronsystem.

De skapade en liten struktur, på skalan av mikrometer, av tre reservoarer anslutna med en T-korsning, och nedsänkte denna struktur något i överflödigt helium.

När elektronerna rörde sig och störde vätskan, de skapade kapillärvågor, eller krusningar. Vid höga elektrontätheter, elektronerna fastnade i vågornas grunda grop. Dessa skiljer sig något från de traditionella polaronerna, så forskarna kallade dem ripplopolaroner, inspirerad av deras likheter med krusningar på vatten.

"Ohms lag säger att elektronerna ska dela sig vid T -korsningen, "sade professor Konstantinov, "Men, på grund av bevarande av momentum, vätskeflödet ska fortsätta gå den raka vägen. Vi teoretiserade att ripplopolaronerna - de instängda elektronerna - skulle bryta mot Ohms lag och att alla skulle bäras i samma riktning. "

Forskarna tillämpade ett elektriskt fält, som flyttade ripplopolaronerna ur den vänstra reservoaren. När de rörde sig längs kanalen, de kom till korsningen, och kan antingen vända och gå till sidobehållaren eller fortsätta rakt till höger reservoar.

Det var som forskarna förutspådde. Ripplopolaronerna fortsatte rakt från vänster reservoar till höger reservoar, efter momentumbevarande snarare än Ohms lag.

Dock, detta lagbrytande beteende inträffade bara i vissa situationer. Elektronernas densitet måste vara hög, annars skulle ripplopolaronerna inte bildas, och temperaturen måste vara låg, annars vågar vågorna helt enkelt. När forskarna körde experimentet i motsatt riktning, de hittade samma enkelriktade rörelse, men när de sprang ut elektronerna ur sidobehållaren, de fann att ripplopolaronerna skulle krascha in i väggen på toppen, vågorna skulle försvinna och de [nu fria] elektronerna skulle återigen följa Ohms lag.

Även om det finns applikationer för att förstå hur elektroner fungerar, detta experiment drevs främst av nyfikenhet. "Vi ville veta hur elektroner påverkas av mediet de befinner sig i, "sade professor Konstantinov, "För oss, det var upptäckten som var spännande. Men det är också viktigt att vi förstår dessa egenskaper. Elektroner i vätskor kan vara användbara när det gäller att bygga qubits, de små delarna som utgör kvantdatorer. Om vi ​​kunde använda elektroner i vätskor för qubits, vi skulle kunna skapa en flexibel, flyttbar arkitektur för datorer. "