Впервые обнаружены «электронные вихри»
Это явление было предсказано теорией уже очень давно. Теперь ученые из Научного института Вейцмана и Массачусетского технологического института представили экспериментальные доказательства его существования. Они наблюдали образование электронных вихрей, характерных для жидкостей. Это открытие может привести к разработке нового поколения электронных устройств с низким энергопотреблением.
Содержание статьи:
Молекулы воды могут коллективно течь, струиться, создавать волны, вихри или формировать другие типы поведения жидкости. Как и вода, электричество состоит из дискретных частиц (электронов), и поэтому ожидается, что оно будет вести себя как жидкость. Однако электроны более чувствительны к воздействию окружающей среды (проходящие металлы), чем их братья и сестры, поскольку молекул воды гораздо меньше. Поэтому они не могут вести себя коллективно.
Однако теория предсказывает, что при определенных условиях, при экстремальных температурах, близких к абсолютному нулю, в чисто инфекционных веществах, движение электронов индуцируется квантовыми эффектами. Тогда они могут течь как жидкость без сопротивления. Это явление может быть использовано для разработки более эффективных электронных устройств. Однако прямых доказательств такого поведения до сих пор нет. Однако «видеть — значит верить», — напоминает Леонид Левитов, профессор физики Массачусетского технологического института.
Электроны с экстремальной проводимостью
В новом исследовании группа ученых из Научного института Вайсмана и Массачусетского технологического института сообщает, что впервые увидела электроны, циркулирующие в виде вихрей в кристалле Диттерида Вольфрама. Такие структуры часто встречаются в жидкостях, но обычно электроны не могут их создавать.
Когда электроны проходят через большинство обычных металлов и полупроводников, они воздействуют на примеси материала, их моменты и траектории движения между атомами, составляющими материал. Эти процессы определяют их поведение. Однако в их отсутствие квантовые эффекты преобладают над теорией. Вместо того чтобы вести себя как отдельные частицы, электроны «подхватывают» квантовое поведение своих братьев и сестер и перемещают их вместе. Таким образом, они образуют вязкую электронную жидкость.
Читайте также: Впервые обнаружена многоножка, имеющая 1306 ног
Порогель, или полипод, имеет удлиненное тело, состоящее из нескольких сегментов, каждый из которых имеет одну или две ноги. Однако, вопреки..
Несколько лет назад Левитов и его коллеги из Манчестерского университета сообщили о первых свидетельствах жидкоподобного поведения графена, листа углерода толщиной в атомный лист. В этом эксперименте к некоторым узким участкам, через которые проходил графен, были приписаны тонкие каналы. Затем они измерили падение потенциала на каждом узком участке, чтобы оценить скорость потока. Они обнаружили, что электронная проводимость превышала максимальную проводимость свободного электрона, известную как баллистический предел Ландауэра.
Другими словами, они доказали, что электроны могут течь коллективно, как жидкость, а не скапливаться вокруг сужения, как песчинки. Вооружившись этим первоначальным результатом, ученые захотели пойти дальше и попытаться наблюдать электронные вихри — по их мнению, наиболее заметную и вездесущую особенность нормального потока жидкости.
Новый механизм гидродинамического потока
Для этого они использовали дителлид вольфрама (WTE2), сверхкруглое сочетание металлов, которое проявляет особые свойства в двумерной форме (слои толщиной в один атом). Дителлид вольфрама, в котором электроны сильно взаимодействуют и ведут себя как квантовые волны, а не частицы. Это один из новых квантовых материалов, — говорит Левитов.
Они сделали из этого материала тонкие чешуйки, нарисовали на них узкие каналы и соединили их с круглыми камерами с обеих сторон. Для сравнения они аналогичным образом провели по тонким металлическим чешуйкам с обычными электронными свойствами. Затем они измерили поток электронов через канал в определенный момент времени при температуре супернита (-268,6°C).
Команда обнаружила, что в золоте электроны всегда текли в одном направлении, даже когда они распределялись вдоль ячейки перед возвращением в центральный канал. Напротив, при использовании вольфрама электроны создавали небольшие вихри в кольцевой камере и меняли направление перед возвращением в главный канал. «Направление потока менялось по сравнению с центральной полосой. [Это та же физика, что и в обычной жидкости, но это происходит с электронами нанометрового размера]», — объясняет физик.
Таким образом, исследователи получили явные признаки того, что электроны начали вести себя как жидкость. Эти результаты включают новый гидродинамический механизм тока в тонких чистых кристаллах и открывают новые возможности для изучения и использования электронных жидкостей в высокоэлектронных системах, пишет журнал Nature. Действительно, в жидком состоянии дисперсия энергии уменьшается. Это представляет особый интерес для разработки электронных устройств с низким энергопотреблением. Новое наблюдение — еще один шаг в этом направлении», — заключает Левитов.
