Sebuah tim fisikawan internasional telah mengamati elektron yang mengalir dalam pola seperti pusaran air yang dikenal sebagai vortisitas untuk pertama kalinya. Sudah lama diprediksi, tetapi belum pernah terlihat dalam eksperimen, bukti perilaku seperti cairan ini dapat dimanfaatkan untuk membuat elektronik yang lebih efisien.
Pada bahan biasa, aliran elektron sangat dipengaruhi oleh pengotor dan getaran atom, yang keduanya menyebabkan elektron terhambur. Dalam bahan ultraclean dan pada suhu mendekati nol, di mana proses klasik seperti itu tidak ada, elektron bergerak tanpa hambatan melintasi bahan, seperti bola bilyar. Namun, dalam kasus yang jarang terjadi, ketika elektron berinteraksi kuat di antara mereka sendiri, elektron diprediksi bergerak secara kolektif, seperti cairan.
Pada tahun 2017, tim yang dipimpin oleh Leonid Levitov di Massachusetts Institute of Technology di AS, bersama dengan rekan-rekan di University of Manchester di Inggris, mengamati perilaku elektron seperti cairan dalam sampel graphene (lembaran atom karbon yang hanya setebal satu atom) yang berisi saluran tipis dengan beberapa titik jepit. Arus yang dikirim melalui saluran mengalir melalui penyempitan dengan hampir tidak ada hambatan, menyiratkan bahwa elektron yang membentuk arus dapat masuk melalui titik jepit secara kolektif daripada melewatinya satu per satu.
Elektron berperilaku seperti gelombang kuantum
Dalam karya baru, Eli Zeldov, bersama dengan Levitov dan rekan-rekannya dari Israel Weizmann Institute of Science dan Universitas Colorado di Denver di AS, mempelajari elektron dalam tungsten ditelluride (WTe2). Bahan ini adalah semimetal Weyl tipe II ultraclean, kelas bahan topologi yang baru ditemukan (bahan yang dapat diisolasi dalam jumlah besar tetapi memiliki keadaan permukaan konduksi karena urutan topologi yang dilindungi simetri). WTe2 diketahui memiliki sifat elektronik yang eksotis ketika dibuat menjadi serpihan dua dimensi setebal satu atom. Memang, itu adalah salah satu dari beberapa bahan kuantum baru di mana elektron berinteraksi kuat dan berperilaku sebagai gelombang kuantum daripada partikel, Levitov menjelaskan.
Untuk mengamati elektron yang mengalir dalam pusaran, para peneliti pertama-tama mensintesis kristal tunggal murni WTe2 dan mencukur serpihan tipis bahan. Mereka kemudian menggunakan litografi berkas elektron dan etsa plasma untuk membuat pola setiap serpihan menjadi saluran sempit dan dua ruang melingkar yang terhubung ke sisinya.
"Geometri ini dirancang untuk memungkinkan gaya geser yang mungkin untuk mengarahkan cairan elektron di ruang oleh arus listrik yang mengalir di saluran sempit," kata anggota tim Amit Aharon-Steinberg. Dunia Fisika. “Kami kemudian menggunakan magnetometer pemindaian yang sangat sensitif, yang dirancang di laboratorium kami, yang mendeteksi medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir.”
Akhirnya, para peneliti merekonstruksi arus listrik dari gambar medan magnet yang diukur untuk secara eksplisit menyoroti vortisitas.
Rezim hidrodinamika
Analisis mengungkapkan bahwa elektron yang mengalir melalui saluran menyebabkan elektron di setiap ruang samping berputar dalam pusaran air. Terlebih lagi, vortisitas hanya ada untuk lubang kecil, dengan aliran laminar (yaitu, tanpa vortisitas) untuk yang lebih besar. Dekat transisi vorteks-ke-laminar, pusaran tunggal di ruang terlihat membelah menjadi dua - perilaku yang hanya diharapkan dalam rezim hidrodinamik (seperti cairan).
Elektron mengalir seperti cairan dalam superkonduktor logam
Temuan menunjukkan bahwa mekanisme hidrodinamik baru dalam kristal murni tipis mungkin ada sedemikian rupa sehingga difusi momentum elektron dimungkinkan oleh hamburan sudut kecil pada permukaan material daripada hamburan elektron-elektron konvensional, yang menjadi sangat lemah pada suhu rendah. suhu. Para-hidrodinamika yang diinduksi permukaan ini, sebagaimana para peneliti menyebutnya, memiliki banyak aspek hidrodinamika biasa, termasuk vortisitas.
Menurut tim Weizmann-MIT-Colorado, temuan ini dapat membantu para peneliti merancang dan mengembangkan elektronik yang lebih efisien. “Kami tahu ketika elektron masuk dalam keadaan cair, disipasi [energi] turun, dan itu menarik untuk mencoba merancang elektronik berdaya rendah,” kata Levitov. "Pengamatan baru ini adalah langkah lain ke arah itu."
Penelitian ini dirinci dalam Alam.
