När elektroner strömmar genom en ledare – som koppartrådarna i våra telefonladdare eller kiselchipsen i kretskorten på våra bärbara datorer – kolliderar de med materiella föroreningar och med varandra i en liten atomisk frenesi. Deras interaktion med föroreningar är välkänd.

Än, samtidigt som att förstå hur elektroner interagerar med varandra är grundläggande för att förstå fysiken, att mäta styrkan i dessa interaktioner har visat sig vara en knepig utmaning för fysiker.

Ett team ledd av Virginia Tech-forskare har upptäckt att genom att skapa en specifik uppsättning villkor, de kunde kvantifiera elektron-elektroninteraktioner mer exakt än någonsin. Deras resultat expanderar på existerande fysikteorier och kan användas för att förbättra elektroniska enheter och kvantdatorer. De publicerade nyligen sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .

För att studera hur elektroner interagerar tillsammans, laget tillverkade små enheter som skulle skapa en stråle av elektroner. De behövde tre specifika förhållanden för att få resultaten:låga temperaturer, ett magnetfält för att få elektronerna att virvla runt i banor, och ultrarena material som tillhandahålls av medarbetare vid Purdue University. Deras mål:Att se hur långt elektroner skulle färdas på deras banor innan de möter andra elektroner och sprider sig. Eftersom enheten var gjord av ultrarena material, teamet visste att det inte fanns några andra variabler som kunde orsaka spridningen – de kunde se elektronerna interagera utan några förvirrande variabler.

"Vad som vanligtvis händer i en vanlig, oren halvledare är att elektroner genomgår så många kollisioner med föroreningar att man i princip aldrig vet vad elektron-elektron-interaktionerna faktiskt gör, sade Jean Heremans, en professor vid institutionen för fysik i College of Science. "Men när du tar bort dessa föroreningar, du har ett ultrarent material, och plötsligt blir dessa elektron-elektron-interaktioner uppenbara. Det var lite av en överraskning för oss att det var en så stor effekt - att vi kunde använda den för att kvantifiera elektroninteraktionerna."

Dock, detta var inte den enda överraskningen som laget stötte på. Forskare har nyligen funnit att i vissa material och förhållanden, grupper av elektroner flyter kollektivt och beter sig likt en vätska. Använder kraftfulla datorer, projektmedarbetare vid Rensselaer Polytechnic Institute i Troja, New York, simulerade hur elektrongruppen flödade. Deras bilder avslöjade att elektronerna flödade in i virvlar, som bubbelpooler – ett beteende som ännu inte har dokumenterats i närvaro av ett magnetfält.

"Virvlarna består faktiskt även om interaktionerna mellan elektroner är mycket svaga, sa Adbhut Gupta, huvudförfattaren till studien och en Ph.D. kandidat i Heremans labb. "Vid denna punkt, inte mycket är känt om detta kollektiva beteende i den svaga interaktionsgränsen. Det är ett nytt fenomen, en som en enda partikel inte skulle ha visat. Vårt är det första experimentet som antyder den här typen av kollektivt beteende."

Gitansh Kataria arbetade också med studien, en doktorand vid Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, del av Virginia Tech College of Engineering.

Teamets upptäckter kan vara avgörande för att hjälpa forskare att ompröva några av de mest grundläggande fysikteorierna, såsom Fermi vätsketeori, som beskriver normaltillståndet för metaller vid låga temperaturer.

"Vad vi fann är att dessa teorier följs men bara i närheten. Vi såg avvikelser från de teoretiska förväntningarna, " sa Heremans. "Det är intressant för om allt är enligt teorin, varför är det nödvändigt att göra experiment till att börja med? Det är inte så att vi måste vara helt överens, men vi måste förstå vad som saknas i teorin."

Resultaten av denna studie skulle kunna användas för att förbättra elektroniken, såsom sensorer och telekommunikationsutrustning, sa Heremans. Plus, denna forskning kan hjälpa till att främja det banbrytande området för kvantberäkning, varav en del förlitar sig på elektron-elektroninteraktioner för att bilda nya kvanttillstånd. Att förstå elektronbeteende kommer att tillåta fysiker att fullt ut utnyttja elektronernas kraft i nya innovationer och tillämpningar.