Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Även om de är diskreta partiklar, flyter vattenmolekyler kollektivt som vätskor och producerar strömmar, vågor, bubbelpooler och andra klassiska vätskefenomen.
Inte så med el. Medan en elektrisk ström också är en konstruktion av distinkta partiklar - i det här fallet elektroner - är partiklarna så små att alla kollektiva beteenden bland dem dränks av större påverkan när elektroner passerar genom vanliga metaller. Men i vissa material och under specifika förhållanden bleknar sådana effekter bort, och elektroner kan direkt påverka varandra. I dessa fall kan elektroner flöda kollektivt som en vätska.
Nu har fysiker vid MIT och Weizmann Institute of Science observerat elektroner som flödar i virvlar, eller virvlar – ett kännetecken för vätskeflöde som teoretiker förutspådde att elektroner skulle uppvisa, men det har aldrig setts förrän nu.
"Elektronvirvlar förväntas i teorin, men det har inte funnits några direkta bevis, och att se är att tro", säger Leonid Levitov, professor i fysik vid MIT. "Nu har vi sett det, och det är en tydlig signatur av att vara i den här nya regimen, där elektroner beter sig som en vätska, inte som enskilda partiklar."
Observationerna, rapporterade i tidskriften Nature , skulle kunna informera utformningen av effektivare elektronik.
"Vi vet att när elektroner går i ett flytande tillstånd, sjunker [energi] förlust, och det är av intresse för att försöka designa lågeffektelektronik," säger Levitov. "Denna nya observation är ytterligare ett steg i den riktningen."
Levitov är medförfattare till den nya artikeln, tillsammans med Eli Zeldov och andra vid Weizmann Institute for Science i Israel och University of Colorado i Denver.
En kollektiv press
När elektricitet går genom de flesta vanliga metaller och halvledare påverkas elektronernas momenta och banor i strömmen av föroreningar i materialet och vibrationer bland materialets atomer. Dessa processer dominerar elektronbeteende i vanliga material.
Men teoretiker har förutspått att i avsaknad av sådana vanliga, klassiska processer, borde kvanteffekter ta över. Elektroner ska nämligen fånga upp varandras känsliga kvantbeteende och röra sig kollektivt, som en trögflytande honungsliknande elektronvätska. Detta vätskeliknande beteende bör uppstå i ultrarena material och vid nära noll temperaturer.
År 2017 rapporterade Levitov och kollegor vid University of Manchester signaturer för sådant vätskeliknande elektronbeteende i grafen, ett atomtunt ark av kol på vilket de etsat en tunn kanal med flera klämpunkter. De observerade att en ström som skickades genom kanalen kunde flyta genom förträngningarna med lite motstånd. Detta antydde att elektronerna i strömmen kunde pressa sig genom klämpunkterna kollektivt, ungefär som en vätska, snarare än att täppas till, som enskilda sandkorn.
Denna första indikation fick Levitov att utforska andra elektronvätskefenomen. I den nya studien försökte han och kollegor vid Weizmann Institute for Science visualisera elektronvirvlar. Som de skriver i sin uppsats, "det mest slående och allestädes närvarande särdraget i flödet av regelbundna vätskor, bildandet av virvlar och turbulens, har ännu inte observerats i elektronvätskor trots många teoretiska förutsägelser."
Kanaliseringsflöde
För att visualisera elektronvirvlar tittade teamet på volframditellurid (WTe2), en ultraren metallisk förening som har visat sig uppvisa exotiska elektroniska egenskaper när den isoleras i en-atom-tunn, tvådimensionell form.
"Volframditellurid är ett av de nya kvantmaterialen där elektroner interagerar starkt och beter sig som kvantvågor snarare än partiklar", säger Levitov. "Dessutom är materialet väldigt rent vilket gör det vätskeliknande beteendet direkt tillgängligt."
Forskarna syntetiserade rena enkristaller av volframditellurid och exfolierade tunna flingor av materialet. De använde sedan e-beam litografi och plasmaetsningstekniker för att mönstra varje flinga till en mittkanal ansluten till en cirkulär kammare på vardera sidan. De etsade samma mönster till tunna flingor av guld – en standardmetall med vanliga, klassiska elektroniska egenskaper.
De körde sedan en ström genom varje mönstrat prov vid ultralåga temperaturer på 4,5 kelvin (cirka -450 grader Fahrenheit) och mätte strömflödet vid specifika punkter genom varje prov, med hjälp av en nanoskala scanning supraledande kvantinterferensenhet (SQUID) på en spets. Denna enhet utvecklades i Zeldovs labb och mäter magnetfält med extremt hög precision. Med hjälp av enheten för att skanna varje prov kunde teamet i detalj observera hur elektroner flödade genom de mönstrade kanalerna i varje material.
Forskarna observerade att elektroner som flödade genom mönstrade kanaler i guldflingor gjorde det utan att ändra riktning, även när en del av strömmen passerade genom varje sidokammare innan de förenades med huvudströmmen. Däremot strömmade elektroner som strömmade genom volframditellurid genom kanalen och virvlade in i varje sidokammare, ungefär som vatten skulle göra när det tömdes i en skål. Elektronerna skapade små virvlar i varje kammare innan de strömmade tillbaka ut i huvudkanalen.
"Vi observerade en förändring i flödesriktningen i kamrarna, där flödesriktningen vände riktningen jämfört med den i den centrala remsan," säger Levitov. "Det är en mycket slående sak, och det är samma fysik som i vanliga vätskor, men det händer med elektroner på nanoskala. Det är en tydlig signatur på att elektroner befinner sig i en vätskeliknande regim."
Gruppens observationer är den första direkta visualiseringen av virvlande virvlar i en elektrisk ström. Fynden representerar en experimentell bekräftelse av en grundläggande egenskap i elektronbeteende. De kan också ge ledtrådar till hur ingenjörer kan designa lågeffektsenheter som leder elektricitet på ett mer flytande, mindre resistivt sätt. + Utforska vidare
