Fysikere ser elektronhvirvler for første gang

Selvom de er diskrete partikler, flyder vandmolekyler kollektivt som væsker og producerer strømme, bølger, boblebade og andre klassiske væskefænomener.

Ikke sådan med elektricitet. Mens en elektrisk strøm også er en konstruktion af distinkte partikler - i dette tilfælde elektroner - er partiklerne så små, at enhver kollektiv adfærd blandt dem overdøves af større påvirkninger, når elektroner passerer gennem almindelige metaller. Men i visse materialer og under specifikke forhold forsvinder sådanne effekter, og elektroner kan direkte påvirke hinanden. I disse tilfælde kan elektroner flyde kollektivt som en væske.

Nu har fysikere ved MIT og Weizmann Institute of Science observeret elektroner, der strømmer i hvirvler eller hvirvler – et kendetegn for væskestrøm, som teoretikere forudsagde, at elektroner skulle udvise, men det er aldrig set før nu.

"Elektronhvirvler forventes i teorien, men der har ikke været noget direkte bevis, og at se er at tro," siger Leonid Levitov, professor i fysik ved MIT. "Nu har vi set det, og det er en klar signatur på at være i dette nye regime, hvor elektroner opfører sig som en væske, ikke som individuelle partikler."

Observationerne, rapporteret i tidsskriftet Nature , kunne informere designet af mere effektiv elektronik.

"Vi ved, at når elektroner går i en flydende tilstand, falder [energi]-dissipationen, og det er interessant i forsøget på at designe elektronik med lav effekt," siger Levitov. "Denne nye observation er endnu et skridt i den retning."

Levitov er medforfatter til det nye papir sammen med Eli Zeldov og andre ved Weizmann Institute for Science i Israel og University of Colorado i Denver.

En kollektiv klem

Når elektricitet løber gennem de fleste almindelige metaller og halvledere, påvirkes elektronernes momenta og baner i strømmen af ​​urenheder i materialet og vibrationer blandt materialets atomer. Disse processer dominerer elektronadfærd i almindelige materialer.

Men teoretikere har forudsagt, at i mangel af sådanne almindelige, klassiske processer, skulle kvanteeffekter tage over. Elektroner skulle nemlig opfange hinandens sarte kvanteadfærd og bevæge sig kollektivt, som en tyktflydende, honninglignende elektronvæske. Denne væskelignende adfærd bør opstå i ultrarene materialer og ved næsten nul temperaturer.

I 2017 rapporterede Levitov og kolleger ved University of Manchester signaturer på en sådan væskelignende elektronadfærd i grafen, et atomtyndt ark kulstof, hvorpå de ætsede en tynd kanal med flere klempunkter. De observerede, at en strøm sendt gennem kanalen kunne strømme gennem indsnævringerne med lille modstand. Dette antydede, at elektronerne i strømmen var i stand til at presse sig gennem klemmepunkterne kollektivt, meget som en væske, snarere end tilstopning, som individuelle sandkorn.

Denne første indikation fik Levitov til at udforske andre elektronvæskefænomener. I den nye undersøgelse kiggede han og kolleger ved Weizmann Institute for Science efter at visualisere elektronhvirvler. Som de skriver i deres papir, "er det mest slående og allestedsnærværende træk i strømmen af ​​regelmæssige væsker, dannelsen af ​​hvirvler og turbulens, endnu ikke blevet observeret i elektronvæsker på trods af adskillige teoretiske forudsigelser."

Kanaleringsflow

For at visualisere elektronhvirvler kiggede holdet på wolfram-ditellurid (WTe2), en ultraren metallisk forbindelse, der har vist sig at udvise eksotiske elektroniske egenskaber, når den er isoleret i enkeltatom-tynd, todimensionel form.

"Tungsten ditellurid er et af de nye kvantematerialer, hvor elektroner er stærkt interagerende og opfører sig som kvantebølger snarere end partikler," siger Levitov. "Derudover er materialet meget rent, hvilket gør den væskelignende adfærd direkte tilgængelig."

Forskerne syntetiserede rene enkeltkrystaller af wolframditellurid og eksfolierede tynde flager af materialet. De brugte derefter e-beam litografi og plasmaætsningsteknikker til at mønstre hver flage til en midterkanal forbundet til et cirkulært kammer på hver side. De ætset det samme mønster i tynde flager af guld - et standardmetal med almindelige, klassiske elektroniske egenskaber.

De kørte derefter en strøm gennem hver mønstrede prøve ved ultralave temperaturer på 4,5 kelvin (ca. -450 grader Fahrenheit) og målte strømstrømmen på specifikke punkter gennem hver prøve ved hjælp af en nanoskala scanning superledende kvanteinterferensenhed (SQUID) på en spids. Denne enhed er udviklet i Zeldovs laboratorium og måler magnetiske felter med ekstrem høj præcision. Ved at bruge enheden til at scanne hver prøve var holdet i stand til i detaljer at observere, hvordan elektroner strømmede gennem de mønstrede kanaler i hvert materiale.

Forskerne observerede, at elektroner, der strømmede gennem mønstrede kanaler i guldflager, gjorde det uden at vende retningen, selv når noget af strømmen passerede gennem hvert sidekammer, før de sluttede sig sammen med hovedstrømmen. I modsætning hertil strømmede elektroner, der strømmede gennem wolframditellurid, gennem kanalen og hvirvlede ind i hvert sidekammer, ligesom vand ville gøre, når det tømmes i en skål. Elektronerne skabte små hvirvler i hvert kammer, før de strømmede tilbage ud i hovedkanalen.

"Vi observerede en ændring i strømningsretningen i kamrene, hvor strømningsretningen vendte retningen i forhold til den i den centrale strimmel," siger Levitov. "Det er en meget slående ting, og det er den samme fysik som i almindelige væsker, men det sker med elektroner på nanoskalaen. Det er en klar signatur på, at elektroner er i et væskelignende regime."

Gruppens observationer er den første direkte visualisering af hvirvlende hvirvler i en elektrisk strøm. Resultaterne repræsenterer en eksperimentel bekræftelse af en fundamental egenskab i elektronadfærd. De kan også give fingerpeg om, hvordan ingeniører kan designe enheder med lav effekt, der leder elektricitet på en mere flydende og mindre modstandsdygtig måde. + Udforsk yderligere

Første glimt af hydrodynamisk elektronstrøm i 3D-materialer