Elektroner strömmar genom de flesta material mer som en gas än en vätska, vilket betyder att de inte interagerar mycket med varandra. Det har länge antagits att elektroner kunde flyta som en vätska, men endast de senaste framstegen inom material och mättekniker gjorde att dessa effekter kunde observeras i 2D-material. År 2020, Amir Yacobys labb, Professor i fysik och tillämpad fysik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Philip Kim, Professor i fysik och professor tillämpad fysik vid Harvard och Ronald Walsworth, tidigare vid Institutionen för fysik vid Harvard, var bland de första som avbildade elektroner som strömmar i grafen som vatten strömmar genom ett rör.

Fynden gav en ny sandlåda för att utforska elektroninteraktioner och erbjöd ett nytt sätt att kontrollera elektroner - men bara i tvådimensionella material. Elektronhydrodynamik i tredimensionella material förblev mycket mer svårfångad på grund av ett fundamentalt beteende hos elektroner i ledare som kallas screening. När det finns en hög densitet av elektroner i ett material, som i ledande metaller, elektroner är mindre benägna att interagera med varandra.

Ny forskning antydde att hydrodynamiskt elektronflöde i 3D-ledare var möjligt, men exakt hur det hände eller hur man kunde observera det förblev okänt. Tills nu.

Ett team av forskare från Harvard och MIT utvecklade en teori för att förklara hur hydrodynamiskt elektronflöde kunde uppstå i 3D-material och observerade det för första gången med en ny bildteknik.

Forskningen är publicerad i Naturfysik .

"Denna forskning ger en lovande väg för sökandet efter hydrodynamiskt flöde och framträdande elektroninteraktioner i material med hög bärartäthet, sa Prineha Narang, Biträdande professor i beräkningsmaterialvetenskap vid SEAS och en senior författare till studien.

Hydrodynamiskt elektronflöde är beroende av stark interaktion mellan elektroner, precis som vatten och andra vätskor är beroende av starka interaktioner mellan sina partiklar. För att flöda effektivt, elektroner i material med hög densitet ordnar sig på ett sådant sätt att interaktioner begränsas. Det är samma anledning till att gruppdanser som den elektriska rutschkanan inte involverar mycket interaktion mellan dansare – med så många människor, det är lättare för alla att göra sina egna rörelser.

"Hittills, hydrodynamiska effekter har mestadels härletts från transportmätningar, som effektivt blandar ihop de rumsliga signaturerna, " sade Yacoby. "Vårt arbete har kartlagt en annan väg för att observera denna dans och förstå hydrodynamik i system bortom grafen med nya kvantsonder av elektronkorrelationer."

Forskarna föreslog att snarare än direkt interaktion, elektroner i material med hög densitet kan interagera med varandra genom kvantvibrationerna i atomgittret, känd som fononer.

"Vi kan tänka på de fononmedierade interaktionerna mellan elektroner genom att föreställa oss två personer som hoppar på en studsmatta, som inte driver varandra direkt utan snarare via fjädrarnas elastiska kraft, sa Yaxian Wang, en postdoktor i NarangLab vid SEAS och medförfattare till studien.

För att observera denna mekanism, forskarna utvecklade en ny kryogen skanningssond baserad på kvävevakansdefekten i diamant, som avbildade det lokala magnetfältet för ett strömflöde i ett material som kallas skiktad semimetal volframditelluride.

"Vår lilla kvantsensor är känslig för små förändringar i det lokala magnetfältet, låter oss utforska den magnetiska strukturen i ett material direkt, sa Uri Vool, John Harvard framstående science fellow och co-lead författare till studien.

Forskarna hittade inte bara bevis på hydrodynamiskt flöde inom tredimensionell volframditellurid utan de fann också att strömmens hydrodynamiska karaktär är starkt beroende av temperaturen.

"Hydrodynamiskt flöde sker i en smal regim där temperaturen inte är för hög och inte för låg, och så den unika förmågan att skanna över ett brett temperaturområde var avgörande för att se effekten, sa Assaf Hamo, en postdoktor vid Yacoby-labbet och medförfattare till studien.

"Förmågan att avbilda och konstruera dessa hydrodynamiska flöden i tredimensionella ledare som en funktion av temperatur, öppnar upp möjligheten att uppnå nästan förlustfri elektronik i enheter i nanoskala, samt ger nya insikter om att förstå elektron-elektroninteraktioner, sade Georgios Varnavides, en doktorand i NarangLab vid SEAS och en av huvudförfattarna till studien. "Forskningen banar också väg för att utforska icke-klassiskt vätskebeteende i hydrodynamiskt elektronflöde, såsom virvlar i stabilt tillstånd."

"Detta är ett spännande och tvärvetenskapligt fält som syntetiserar koncept från kondenserad materia och materialvetenskap till beräkningshydrodynamik och statistisk fysik, " sa Narang. I tidigare forskning, Varnavides och Narang klassificerade olika typer av hydrodynamiska beteenden som kan uppstå i kvantmaterial där elektroner flödar kollektivt.