Ученые впервые наблюдали электрические вихри

Предсказанная способность движущихся электронов образовывать вихри, наконец, была обнаружена и может быть использована для создания менее энергоемких электронных устройств.

Фото из открытых источников

Физики наблюдали электрические вихри, создаваемые электронами, взаимодействующими подобно молекулам воды в водоворотах, наконец, подтвердив давние предсказания теоретиков.

При изучении основ электротехники популярная, но сильно критикуемая аналогия - это вода, текущая по трубам, где напряжение соответствует изменению высоты, а ток - количеству потока в контуре. Некоторые студенты находят аналогию полезной, но многие физики считают ее вводящей в заблуждение из-за различий в поведении электронов и молекул воды.

Однако в некоторых материалах аналогия становится реальностью. Электроны влияют друг на друга способами, которые больше напоминают взаимодействия между молекулами воды, что наблюдается в жидкостях. Одной из форм такого поведения является создание водоворотов, которые впервые были описаны в Nature, ранее оказавшись неуловимыми.

«Электронные вихри ожидаются в теории, но прямых доказательств не было, а увидеть - значит поверить», - сказал профессор Массачусетского технологического института Леонид Левитов в своем заявлении. «Теперь мы это увидели, и это явный признак пребывания в этом новом режиме, где электроны ведут себя как жидкость, а не как отдельные частицы».

Среди странных явлений, наблюдаемых в таких условиях, - отрицательное сопротивление и «сверхбаллистический поток электронов», когда электроны, по-видимому, взаимодействуют, проходя через узкие промежутки.

Отдельный электрон, движущийся как часть электрического тока, подвергается воздействию широкого спектра сил. К ним относятся движение атомов в проводящем материале и примеси, которые могут повлиять на его поток, а также напряжение, вызывающее его движение в первую очередь. Другие электроны, которые также являются частью потока, тоже оказывают влияние, но в большинстве материалов это незначительно по сравнению со всем остальным. Сверхпроводящие материалы, в которых электронные пары движутся более плавно, чем это было бы возможно для одного электрона, представляют собой частичное исключение.

Однако, если вы сможете подавить все остальное, квантовые взаимодействия между электронами станут доминирующими. Электроны движутся как вязкая жидкость. Чтобы достичь этого состояния, материалы, в которых они перемещаются, должны быть очищены от примесей и охлаждены почти до абсолютного нуля, поэтому движения атомов почти исчезают.

Используя эти свойства, Левитов и его коллеги добились почти без сопротивления потока электронов через графен в 2017 году. Однако вода не всегда течет гладко. Вместо этого он может стать турбулентным и даже создавать вихри. Авторы не наблюдали аналогичного поведения в графене, поэтому вместо этого они использовали листы дителлурида вольфрама толщиной в один атом (WTe 2).

Мало того, что WTe 2 проявляет волнообразные свойства электронов, Левитов отметил: «Материал очень чистый, что делает поведение, подобное жидкости, непосредственно доступным». Авторы выгравировали канал, проходящий между двумя круглыми камерами, на листах WTe2 и золота для сравнения. Когда токи проходили через структуру при температуре 4,5 ° K (-451 ° F), магнитные поля выявили поведение электронов.

Фото из открытых источников  / В дителлуриде вольфрама электроны, текущие в боковые каналы, образуют водовороты, но этого не происходит в золоте. Фото: Aharon-Steinberg et al / Nature

Авторы исследования смогли наблюдать, как электроны кружатся в боковых камерах и выходят из них, создавая крошечные водовороты на своем пути, но только в дителлуриде вольфрама, а не в золоте.

«Мы наблюдали изменение направления потока в камерах, где направление потока изменилось на противоположное по сравнению с направлением в центральной полосе», - сказал Левитов. «Это очень поразительная вещь, и это та же физика, что и в обычных жидкостях, но происходит с электронами на наноуровне. Это четкий признак того, что электроны находятся в режиме, подобном жидкости».

Для создания этих водоворотов необходимо было тщательно контролировать условия – если промежутки, через которые текли электроны, были расширены, колебания и, действительно, любая турбулентность исчезли. Недалеко от точки перехода, где плавный поток сменяет турбулентность, было замечено, что вихрь разделился на два, одно из предсказанных поведений, которое надеялись наблюдать Левитов и команда.

Есть надежда, что наблюдения найдут применение в реальном мире, например, приведут к более эффективному питанию низкоэнергетической электроники.