Surf på bølgerne:Elektroner bryder loven for at følge med strømmen

Hvis du ser folk gå ned ad en gade og komme til et vejkryds, det er svært at forudsige, hvilken retning de kan tage. Men, hvis du ser folk sidde i separate både, flyder ned ad en å, og strømmen deler sig i to kanaler, det er sandsynligt, at de fleste, hvis ikke alle, af dem vil blive ført ned ad en kanal, den kanal, der har det stærkeste flow.

Forskere i Quantum Dynamics Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ser på noget lignende, men deres forskning er i meget mindre skala. De kører eksperimenter for at se, hvordan elektronernes bevægelse påvirkes af væske. Denne undersøgelse blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Professor Denis Konstantinov, hvem leder enheden, demonstreret konceptet med et stykke ledning. "Hvis vi fører en elektrisk strøm gennem et stykke ledning, så ved vi, at elektronerne vil bevæge sig fra den ene ende til den anden. Hvis vi deler ledningen i to, halvdelen af ​​elektronerne vil flyde ned ad den ene side, og den anden halvdel vil flyde ned ad den anden."

Dette skyldes Ohms lov, en fysiklov, som siger, at elektrisk strøm er proportional med spænding og omvendt proportional med modstand, så hvis modstanden fordeler sig ligeligt mellem to kanaler, halvdelen af ​​elektronerne vil gå ned i hver kanal.

"Men, " Professor Konstantinov forklarede. "Hvis elektronerne sidder på væske, snarere end i et solidt, de kan bryde Ohms lov. Det var det, vi ville måle."

Denne teori kommer fra begrebet en polaron, som er en elektron, der er "klædt" af en sky af mediet, den sidder i. Dette gør den tungere, langsommere og ændrer sin adfærd. Tidligere er polaroner blevet diskuteret i form af ioniske krystaller i faste stoffer, men meget sjældnere i væsker.

Forskerne brugte superflydende helium, som har flere unikke egenskaber. For eksempel, det forbliver i flydende form ved temperaturer ned til det absolutte nulpunkt, når enhver anden væske fryser, og opfører sig som væske med nul viskositet, eller ingen modstand. Elektroner ville kun kunne sidde ovenpå, frem for at synke. Dermed, det gav forskerne et 2-D elektronsystem.

De skabte en lille struktur, på skalaen af ​​mikrometer, af tre reservoirer forbundet med et T-kryds, og lidt nedsænket denne struktur i superfluid helium.

Da elektronerne bevægede sig og forstyrrede væsken, de skabte kapillære bølger, eller krusninger. Ved høj elektrontæthed, elektronerne blev fanget i bølgernes lavvandede fordybning. Disse er lidt anderledes end de traditionelle polaroner, så forskerne kaldte dem ripplopolaroner, inspireret af deres ligheder med krusninger på vand.

"Ohms lov siger, at elektronerne skal dele sig ved T-krydset, sagde professor Konstantinov, "Men, på grund af bevaring af momentum, væskestrømmen skal blive ved med at gå ned ad den lige vej. Vi teoretiserede, at ripplopolaronerne - de fangede elektroner - ville bryde Ohms lov og alle blive båret i samme retning."

Forskerne anvendte et elektrisk felt, som flyttede ripplopolaronerne ud af det venstre reservoir. Mens de bevægede sig langs kanalen, de kom til krydset, og kunne enten dreje og gå til sidereservoiret eller fortsætte ligeud til højre reservoir.

Det var som forskerne forudsagde. Ripplopolaronerne fortsatte lige fra venstre reservoir til højre reservoir, efter momentumbevarelse i stedet for Ohms lov.

Imidlertid, denne lovbrudsadfærd fandt kun sted i visse situationer. Tætheden af ​​elektroner skulle være høj, ellers ville ripplopolaronerne ikke dannes, og temperaturen skulle være lav, ellers ville bølgerne simpelthen vælte ud. Da forskerne kørte eksperimentet i den modsatte retning, de fandt den samme ensrettede bevægelse, men da de løb elektronerne ud af sidereservoiret, de fandt ud af, at ripplopolaronerne ville styrte ind i væggen på toppen, bølgerne ville forsvinde og de [nu-frie] elektroner ville igen følge Ohms lov.

Selvom der er applikationer til at forstå, hvordan elektroner fungerer, dette eksperiment var hovedsageligt drevet af nysgerrighed. "Vi ville vide, hvordan elektroner påvirkes af det medium, de er i, sagde professor Konstantinov, "For os, det var opdagelsen, der var spændende. Men det er også vigtigt, at vi forstår disse egenskaber. Elektroner i væsker kan være nyttige, når det kommer til at bygge qubits, de små dele, der udgør kvantecomputere. Hvis vi kunne bruge elektroner i væsker til qubits, vi kunne skabe en fleksibel, flytbar arkitektur til computerne."