Ny fysikforskning afslører nye kompleksiteter omkring elektronadfærd i materialer

Når elektroner strømmer gennem en leder - f.eks. Kobbertråde i vores telefonopladere eller siliciumchips i kredsløbskortene på vores bærbare computere - støder de sammen med materielle urenheder og med hinanden i et lille atomvanvid. Deres interaktion med urenheder er velkendt.

Endnu, mens forståelse for, hvordan elektroner interagerer med hinanden, er grundlæggende for at forstå fysikken, at måle styrken af ​​disse interaktioner har vist sig at være en vanskelig udfordring for fysikere.

Et team ledet af forskere fra Virginia Tech har opdaget, at ved at skabe et specifikt sæt betingelser, de kunne kvantificere elektron-elektron-interaktioner mere præcist end nogensinde. Deres fund udvider eksisterende fysikteorier og kan anvendes til forbedring af elektroniske enheder og kvantecomputere. De offentliggjorde for nylig deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .

For at studere, hvordan elektroner interagerer sammen, holdet fremstillede små enheder, der ville skabe en stråle af elektroner. De havde brug for tre specifikke betingelser for at få resultaterne:lave temperaturer, et magnetfelt for at få elektronerne til at hvirvle rundt i kredsløb, og ultrarene materialer leveret af samarbejdspartnere ved Purdue University. Deres mål:At se, hvor langt elektroner ville rejse på deres kredsløb, før de støder på andre elektroner og spredes. Da enheden var fremstillet af ultrarene materialer, teamet vidste, at der ikke var andre variabler, der kunne forårsage spredning - de kunne se elektronerne interagere uden forvirrende variabler.

"Hvad der normalt sker i en almindelig uren halvleder er, at elektroner gennemgår så mange kollisioner med urenheder, at du stort set aldrig ved, hvad elektron-elektron-interaktioner rent faktisk gør, "sagde Jean Heremans, en professor ved Institut for Fysik i College of Science. "Men når du fjerner disse urenheder, du sidder tilbage med et ultrarent materiale, og pludselig bliver disse elektron-elektron-interaktioner tydelige. Det var lidt af en overraskelse for os, at det var så stor en effekt - at vi kunne bruge det til at kvantificere elektroninteraktionerne. "

Imidlertid, dette var ikke den eneste overraskelse, som holdet stødte på. Forskere har for nylig fundet ud af, at under visse materialer og betingelser, grupper af elektroner flyder kollektivt og opfører sig ligner en væske. Ved hjælp af stærke computere, projektsamarbejdspartnere ved Rensselaer Polytechnic Institute i Troy, New York, simulerede, hvordan gruppen af ​​elektroner flød. Deres billeder afslørede, at elektronerne flød ind i hvirvler, som boblebade - en adfærd, der endnu ikke er dokumenteret i nærvær af et magnetfelt.

"Whirlpools forbliver faktisk, selvom interaktionerne mellem elektroner er meget svage, "sagde Adbhut Gupta, undersøgelsens hovedforfatter og en ph.d. kandidat i Heremans laboratorium. "På dette tidspunkt, man ved ikke meget om denne kollektive adfærd i den svage interaktionsgrænse. Det er et nyt fænomen, en, som en enkelt partikel ikke ville have vist. Vores er det første eksperiment, der antyder denne form for kollektiv adfærd. "

Gitansh Kataria arbejdede også med undersøgelsen en kandidatstuderende i Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, del af Virginia Tech College of Engineering.

Holdets opdagelser kan være kritiske for at hjælpe forskere med at genoverveje nogle af de mest grundlæggende fysiske teorier, såsom Fermi væske teori, som beskriver metals normale tilstand ved lave temperaturer.

"Det, vi fandt, er, at disse teorier adlydes, men kun i nærheden. Vi så afvigelser fra de teoretiske forventninger, "sagde Heremans." Det er interessant, for hvis alt er ifølge teori, hvorfor er der behov for at lave eksperimenter til at begynde med? Det er ikke, at vi skal være helt enige, men vi er nødt til at forstå, hvad der mangler i teorien. "

Resultaterne af denne undersøgelse kan anvendes til at hjælpe med at forbedre elektronik, såsom sensorer og telekommunikationsenheder, Sagde Heremans. Plus, denne forskning kan hjælpe med at fremme det banebrydende område inden for kvanteberegning, hvoraf en del er afhængig af elektron-elektron-interaktioner for at danne nye kvantetilstande. At forstå elektronadfærd vil give fysikere mulighed for fuldt ud at udnytte elektronernes magt i nye innovationer og applikationer.