Forskere afslører et nyt metal, hvor elektroner flyder med væskelignende dynamik

Et team af forskere fra Boston College har skabt et nyt metallisk prøveeksemplar, hvor elektronernes bevægelse flyder på samme måde som vand strømmer i et rør - fundamentalt skiftende fra partikellignende til væskelignende dynamik, holdet melder ind Naturkommunikation .

Arbejde med kolleger fra University of Texas i Dallas og Florida State University, Boston College assisterende professor i fysik Fazel Tafti fundet i metalsuperlederen, en syntese af Niobium og Germanium (NbGe ₂ ), at en stærk interaktion mellem elektroner og fononer ændrer transporten af ​​elektroner fra diffusiven, eller partikellignende, til hydrodynamisk, eller væskelignende, regime.

Resultaterne markerer den første opdagelse af en elektron-fonon-væske inde i NbGe ₂ , sagde Tafti.

"Vi ønskede at teste en nylig forudsigelse af 'elektron-fonon-væsken', " sagde Tafti, bemærker, at fononer er vibrationer af en krystalstruktur. "Typisk, elektroner er spredt af fononer, hvilket fører til den sædvanlige diffusive bevægelse af elektroner i metaller. En ny teori viser, at når elektroner stærkt interagerer med fononer, de vil danne en forenet elektron-fononvæske. Denne nye væske vil strømme inde i metallet nøjagtigt på samme måde som vand strømmer i et rør."

Ved at bekræfte teoretikeres forudsigelser, den eksperimentelle fysiker Tafti - der arbejder sammen med sin Boston College-kollega professor i fysik Kenneth Burch, Luis Balicas fra FSU, og Julia Chan fra UT-Dallas - siger, at opdagelsen vil anspore til yderligere udforskning af materialet og dets potentielle anvendelser.

Tafti bemærkede, at vores daglige liv afhænger af strømmen af ​​vand i rør og elektroner i ledninger. Hvor ens de end lyder, de to fænomener er grundlæggende forskellige. Vandmolekyler flyder som et væskekontinuum, ikke som individuelle molekyler, adlyde hydrodynamikkens love. Elektroner, imidlertid, flyder som individuelle partikler og diffunderer inde i metaller, når de bliver spredt af gittervibrationer.

Holdets undersøgelse, med betydelige bidrag fra kandidatstuderende forsker Hung-Yu Yang, som fik sin doktorgrad fra BC i 2021, fokuseret på ledning af elektricitet i det nye metal, NbGe ₂ , sagde Tafti.

De anvendte tre eksperimentelle metoder:elektriske resistivitetsmålinger viste en højere end forventet masse for elektroner; Raman-spredning viste en adfærdsændring i vibrationen af ​​NbGe ₂ krystal på grund af den særlige strøm af elektroner; og røntgendiffraktion afslørede materialets krystalstruktur.

Ved at bruge en specifik teknik kendt som "kvanteoscillationer" til at evaluere massen af ​​elektroner i materialet, forskerne fandt ud af, at massen af ​​elektroner i alle baner var tre gange større end den forventede værdi, sagde Tafti, hvis arbejde støttes af National Science Foundation.

"Dette var virkelig overraskende, fordi vi ikke forventede så 'tunge elektroner' i et tilsyneladende simpelt metal, " sagde Tafti. "Til sidst, vi forstod, at den stærke elektron-fonon-interaktion var ansvarlig for den tunge elektrons adfærd. Fordi elektroner interagerer med gittervibrationer, eller fononer, stærkt, de bliver 'slæbt' af gitteret og det ser ud som om de har fået masse og er blevet tunge."

Tafti sagde, at det næste skridt er at finde andre materialer i dette hydrodynamiske regime ved at udnytte elektron-fonon-interaktionerne. Hans team vil også fokusere på at kontrollere den hydrodynamiske væske af elektroner i sådanne materialer og udvikle nye elektroniske enheder.