Første glimt af hydrodynamisk elektronstrøm i 3D-materialer

Elektroner strømmer gennem de fleste materialer mere som en gas end en væske, hvilket betyder, at de ikke interagerer meget med hinanden. Det var længe antaget, at elektroner kunne flyde som en væske, men kun nyere fremskridt inden for materialer og måleteknikker tillod disse effekter at blive observeret i 2D-materialer. I 2020, Amir Yacobys laboratorier, Professor i fysik og anvendt fysik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Philip Kim, Professor i fysik og professor i anvendt fysik ved Harvard og Ronald Walsworth, tidligere ved Institut for Fysik ved Harvard, var blandt de første til at afbilde elektroner, der strømmer i grafen, som vand strømmer gennem et rør.

Resultaterne gav en ny sandkasse til at udforske elektroninteraktioner og tilbød en ny måde at kontrollere elektroner på - men kun i todimensionelle materialer. Elektronhydrodynamik i tredimensionelle materialer forblev meget mere uhåndgribelig på grund af en fundamental opførsel af elektroner i ledere kendt som screening. Når der er en høj tæthed af elektroner i et materiale, som i ledende metaller, elektroner er mindre tilbøjelige til at interagere med hinanden.

Nyere forskning antydede, at hydrodynamisk elektronstrøm i 3D-ledere var mulig, men præcis hvordan det skete, eller hvordan man observerede det, forblev ukendt. Indtil nu.

Et team af forskere fra Harvard og MIT udviklede en teori til at forklare, hvordan hydrodynamisk elektronstrøm kunne forekomme i 3D-materialer og observerede det for første gang ved hjælp af en ny billedbehandlingsteknik.

Forskningen er publiceret i Naturfysik .

"Denne forskning giver en lovende vej til søgen efter hydrodynamisk strømning og fremtrædende elektroninteraktioner i materialer med høj bærertæthed, " sagde Prineha Narang, Adjunkt i Computational Materials Science ved SEAS og seniorforfatter af undersøgelsen.

Hydrodynamisk elektronstrøm er afhængig af stærke interaktioner mellem elektroner, ligesom vand og andre væsker er afhængige af stærke vekselvirkninger mellem deres partikler. For at flyde effektivt, elektroner i materialer med høj densitet arrangerer sig på en sådan måde, at interaktioner begrænses. Det er den samme grund til, at gruppedanse som den elektriske rutsjebane ikke involverer megen interaktion mellem dansere - med så mange mennesker, det er nemmere for alle at lave deres egne bevægelser.

"Til dato, hydrodynamiske effekter er for det meste blevet udledt fra transportmålinger, som effektivt blander de rumlige signaturer sammen, " sagde Yacoby. "Vores arbejde har udstukket en anden vej i at observere denne dans og forstå hydrodynamik i systemer ud over grafen med nye kvanteprober af elektronkorrelationer."

Forskerne foreslog, at snarere end direkte interaktioner, elektroner i materialer med høj densitet kunne interagere med hinanden gennem kvantevibrationerne i atomgitteret, kendt som fononer.

"Vi kan tænke på de fononmedierede interaktioner mellem elektroner ved at forestille os to mennesker, der hopper på en trampolin, som ikke driver hinanden direkte, men snarere via fjedrenes elastiske kraft, " sagde Yaxian Wang, en postdoc i NarangLab ved SEAS og medforfatter til undersøgelsen.

For at observere denne mekanisme, forskerne udviklede en ny kryogen scanningssonde baseret på nitrogen-tomgangsdefekten i diamant, som afbildede det lokale magnetfelt af en strømstrøm i et materiale kaldet lagdelt semimetal wolfram ditellurid.

"Vores lille kvantesensor er følsom over for små ændringer i det lokale magnetfelt, giver os mulighed for at udforske den magnetiske struktur i et materiale direkte, " sagde Uri Vool, John Harvard enestående videnskabsmand og co-lead forfatter af undersøgelsen.

Forskerne fandt ikke kun beviser for hydrodynamisk strømning inden for tredimensionelt wolfram-ditellurid, men de fandt også, at strømmens hydrodynamiske karakter er stærkt afhængig af temperaturen.

"Hydrodynamisk flow forekommer i et snævert regime, hvor temperaturen ikke er for høj og ikke for lav, og så den unikke evne til at scanne over et bredt temperaturområde var afgørende for at se effekten, sagde Assaf Hamo, en postdoktor ved Yacoby-laboratoriet og medforfatter af undersøgelsen.

"Evnen til at afbilde og konstruere disse hydrodynamiske strømme i tredimensionelle ledere som en funktion af temperatur, åbner muligheden for at opnå næsten spredningsfri elektronik i enheder i nanoskala, samt giver ny indsigt i forståelsen af ​​elektron-elektron-interaktioner, " sagde Georgios Varnavides, en ph.d.-studerende i NarangLab på SEAS og en af ​​studiets hovedforfattere. "Forskningen baner også vejen for at udforske ikke-klassisk væskeadfærd i hydrodynamisk elektronstrøm, såsom steady-state hvirvler."

"Dette er et spændende og tværfagligt felt, der syntetiserer koncepter fra kondenseret stof og materialevidenskab til beregningsmæssig hydrodynamik og statistisk fysik, " sagde Narang. I tidligere forskning, Varnavides og Narang klassificerede forskellige typer hydrodynamisk adfærd, som kunne opstå i kvantematerialer, hvor elektroner flyder kollektivt.