Rahvusvaheline füüsikute meeskond on esimest korda täheldanud elektronide voogamist keerises, mida tuntakse keeristena. Kaua ennustatud, kuid kunagi varem katsetes nähtud, saab neid vedelikutaolise käitumise tõendeid kasutada tõhusama elektroonika tegemiseks.
Tavalistes materjalides mõjutavad elektronide voolu tugevalt lisandid ja aatomivõnked, mis mõlemad põhjustavad elektronide hajumist. Ülipuhastes materjalides ja nullilähedasel temperatuuril, kus sellised klassikalised protsessid puuduvad, liiguvad elektronid takistamatult üle materjali nagu piljardipallid. Kuid harvadel juhtudel, kui elektronid omavahel tugevalt interakteeruvad, eeldatakse, et elektronid liiguvad kollektiivselt nagu vedelik.
2017. aastal meeskond eesotsas Leonid Levitov kell Massachusetts Institute of Technology USA-s koos kolleegidega Ühendkuningriigi Manchesteri ülikoolist, täheldatud vedelikutaolist elektronide käitumist grafeeniproovis (ainult ühe aatomi paksune süsinikuaatomite leht), mis sisaldas õhukest kanalit, millel oli mitu pigistuspunkti. Kanali kaudu saadetud vool voolas läbi kitsenduste peaaegu igasuguse takistusega, mis tähendab, et voolu moodustavad elektronid võiksid pigistada läbi pigistuspunktide kollektiivselt, mitte neid eraldi läbida.
Elektronid käituvad nagu kvantlained
Uues teoses Eli Zeldov, koos Levitovi ja kolleegidega Iisraelist Weizmanni teadusinstituut ja Colorado ülikool Denveris USA-s uuris elektrone volframditellüüriidis (WTe2). See materjal on ülipuhas II tüüpi Weyl poolmetall, hiljuti avastatud topoloogilise materjali klass (mis võib olla suures osas isoleeriv, kuid millel on sümmeetriaga kaitstud topoloogilise järjestuse tõttu juhtivad pinnaseisundid). WTe2 on teadaolevalt eksootilised elektroonilised omadused, kui need on valmistatud ühe aatomi paksustest kahemõõtmelistest helvestest. Tõepoolest, see on üks paljudest uutest kvantmaterjalidest, milles elektronid interakteeruvad tugevalt ja käituvad pigem kvantlainetena kui osakestena, selgitab Levitov.
Pööristes voolavate elektronide vaatlemiseks sünteesisid teadlased esmalt puhtad üksikud WTe kristallid2 ja raseeris materjali õhukesed helbed maha. Seejärel kasutasid nad elektronkiirega litograafiat ja plasmasöövitamist, et kujundada iga helb kitsaks kanaliks ja selle külgedega ühendatud kaheks ringikujuliseks kambriks.
"See geomeetria loodi selleks, et võimaldada võimalikel nihkejõududel juhtida elektronide vedelikku kambrites kitsas kanalis voolava elektrivoolu abil," räägib meeskonnaliige Amit Aharon-Steinberg. Füüsika maailm. "Seejärel kasutasime meie laboris välja töötatud äärmiselt tundlikku skaneerivat magnetomeetrit, mis tuvastab voolava elektrivoolu tekitatud magnetvälju."
Lõpuks rekonstrueerisid teadlased mõõdetud magnetvälja kujutiste põhjal elektrivoolu, et pöörised selgesõnaliselt esile tõsta.
Hüdrodünaamiline režiim
Analüüsid näitasid, et kanali kaudu voolavad elektronid panid igas külgkambris olevad elektronid keerisema. Veelgi enam, keerised esinesid ainult väikeste avade puhul, suuremate avade puhul oli vool laminaarne (st ilma keeristeta). Pööris-laminaarse ülemineku lähedal oli näha, et kambris üks pööris jagunes kaheks - käitumine, mida oodatakse ainult hüdrodünaamilises (vedelikulaadses) režiimis.
Elektronid voolavad metallist ülijuhis nagu vedelik
Leiud viitavad sellele, et õhukeste puhaste kristallide puhul võib eksisteerida uus hüdrodünaamiline mehhanism, nii et elektronide impulsi difusiooni võimaldab pigem väikese nurga hajumine materjali pinnal kui tavaline elektron-elektron hajumine, mis muutub madalal korral väga nõrgaks. temperatuurid. Sellel pinnast põhjustatud parahüdrodünaamikal, nagu teadlased on seda nimetanud, jagab paljusid tavalise hüdrodünaamika aspekte, sealhulgas keeristeid.
Weizmann-MIT-Colorado meeskonna sõnul võivad leiud aidata teadlastel kavandada ja arendada tõhusamat elektroonikat. "Me teame, kui elektronid lähevad vedelasse olekusse, [energia] hajumine langeb ja see on väikese võimsusega elektroonika kujundamisel huvipakkuv, " ütleb Levitov. "See uus tähelepanek on veel üks samm selles suunas."
Uuring on üksikasjalikult kirjeldatud loodus.
