En liten kristall av det nya materialet, en syntes av niob och germanium (NbGe2), är monterad på en anordning för att undersöka beteendet hos den nya elektron-fononvätskan. Insatsen visar atomarrangemanget i materialet. Kredit:Fazel Tafti, Boston College
Ett team av forskare från Boston College har skapat ett nytt metalliskt exemplar där elektronernas rörelse flyter på samma sätt som vatten strömmar i ett rör - i grunden förändras från partikelliknande till vätskeliknande dynamik, laget rapporterar in Naturkommunikation .
Arbeta med kollegor från University of Texas i Dallas och Florida State University, Boston College biträdande professor i fysik Fazel Tafti hittades i metallens superledare, en syntes av niob och germanium (NbGe 2 ), att en stark interaktion mellan elektroner och fononer förändrar transporten av elektroner från diffusiven, eller partikelliknande, till hydrodynamisk, eller vätskeliknande, regimen.
Fynden markerar den första upptäckten av en elektron-fononvätska inuti NbGe 2 , Sa Tafti.
"Vi ville testa en ny förutsägelse av 'elektron-fononvätskan', " sa Tafti, noterar att fononer är vibrationerna i en kristallstruktur. "Vanligtvis, elektroner sprids av fononer vilket leder till den vanliga diffusiva rörelsen av elektroner i metaller. En ny teori visar att när elektroner interagerar starkt med fononer, de kommer att bilda en enad elektron-fononvätska. Denna nya vätska kommer att strömma inuti metallen exakt på samma sätt som vatten rinner i ett rör. "
Genom att bekräfta teoretikers förutsägelser, den experimentella fysikern Tafti – som arbetar med sin Boston College-kollega professor i fysik Kenneth Burch, Luis Balicas från FSU, och Julia Chan från UT-Dallas-säger att upptäckten kommer att främja ytterligare utforskning av materialet och dess potentiella tillämpningar.
Tafti noterade att vårt dagliga liv beror på flödet av vatten i rör och elektroner i ledningar. Så lika de kan låta, de två fenomenen är fundamentalt olika. Vattenmolekyler flödar som ett vätskekontinuum, inte som individuella molekyler, att följa hydrodynamikens lagar. Elektroner, dock, flödar som enskilda partiklar och diffunderar inuti metaller när de sprids av gittervibrationer.
Teamets utredning, med betydande bidrag från doktorandforskaren Hung-Yu Yang, som tog sin doktorsexamen från BC 2021, fokuserat på ledning av elektricitet i den nya metallen, NbGe 2 , sa Tafti.
De tillämpade tre experimentella metoder:elektriska resistivitetsmätningar visade en massa för elektroner som var högre än förväntat; Ramanspridning visade en förändring av beteendet i vibrationen av NbGe 2 kristall på grund av det speciella flödet av elektroner; och röntgendiffraktion avslöjade kristallstrukturen hos materialet.
Genom att använda en specifik teknik känd som "kvantoscillationerna" för att utvärdera massan av elektroner i materialet, forskarna fann att massan av elektroner i alla banor var tre gånger större än det förväntade värdet, sa Tafti, vars arbete stöds av National Science Foundation.
"Detta var verkligen förvånande eftersom vi inte förväntade oss sådana" tunga elektroner "i en till synes enkel metall, sa Tafti. Så småningom, vi förstod att den starka elektron-fonon-interaktionen var ansvarig för det tunga elektronens beteende. Eftersom elektroner interagerar med gittervibrationer, eller fononer, starkt, de 'dras' av gallret och det verkar som om de har fått massa och blivit tunga."
Tafti sa att nästa steg är att hitta andra material i denna hydrodynamiska regim genom att utnyttja elektron-fonon-interaktionerna. Hans team kommer också att fokusera på att kontrollera den hydrodynamiska vätskan hos elektroner i sådana material och konstruera nya elektroniska enheter.
