Wiry elektronowe zaobserwowane po raz pierwszy. Prąd może zachowywać się jak płyn

Ich istnienie przewidywano od dawna, ale do tej pory nie udawało się zaobserwować. Naukowcy z MIT po raz pierwszy w historii dostrzegli wiry elektronowe.
Zaobserwowano rekordowe wiry optyczne
Zaobserwowano rekordowe wiry optyczne

Prąd elektryczny zachowuje się inaczej niż np. woda. Chociaż jest konstrukcją odrębnych cząstek (elektronów), są one tak małe, że jakiekolwiek zbiorowe zachowanie jest zagłuszane przez większe wpływy, np. przejście przez metal. Istnieją jednak materiały, w których elektrony mogą wpływać na siebie nawzajem, zachowując się jak płyn.

Naukowcy z MIT i Weizmann Institute of Science po raz pierwszy w historii dostrzegli wiry elektronowe. Szczegóły opisano w Nature.

Wiry elektronowe są oczekiwane w teorii, ale nie było bezpośredniego dowodu, a zobaczyć to uwierzyć. Teraz to zobaczyliśmy i jest to wyraźny podpis bycia w tym nowym reżimie, gdzie elektrony zachowują się jak płyn, a nie jak pojedyncze cząstki. Wiemy, że kiedy elektrony przechodzą w stan płynny, energia rozpraszania spada, a to jest interesujące przy próbach projektowania elektroniki o niskiej mocy. Ta nowa obserwacja to kolejny krok w tym kierunku.prof. Leonid Levitov, fizyk z MIT, szef zespołu badawczego

Prąd jak płyn

Kiedy prąd elektryczny przepływa przez większość zwykłych metali i półprzewodników, na momenty pędu i trajektorie elektronów w prądzie wpływają zanieczyszczenia i wibracje wśród atomów materiału. Ale teoretycznie przewidziano, że przy braku klasycznych procesów, elektrony powinny wychwytywać wzajemnie swoje delikatne zachowania kwantowe i poruszać się kolektywnie – jako lepki, miodowy płyn elektronowy. To zachowanie powinno pojawić się w temperaturach bliskich zeru.

W 2017 r. zespół prof. Levitova zgłosił oznaki takiego płynnego zachowania elektronów w grafenie. Zaobserwowali, że prąd wysyłany przez kanał może przepływać przez zwężenia z niewielkim oporem. Sugerowało to, że elektrony w prądzie były w stanie przecisnąć się przez punkty przegięcia zbiorczo, jak płyn, a nie zatkać się, jak pojedyncze ziarna piasku.

Czytaj też: Nadchodzi nowa era mikroskopii. Elektrony oglądane dokładnie jak nigdy

To skłoniło fizyków do zbadania innych zjawisk związanych z płynem elektronowym, m.in. wirów elektronowych. Naukowcy zbadali ditellurek wolframu (WTe2), ultranowoczesny związek metaliczny wykazujący egzotyczne właściwości elektroniczne.

Ditellurek wolframu jest jednym z nowych materiałów kwantowych, w których elektrony silnie oddziałują i zachowują się raczej jak fale kwantowe niż cząstki. Dodatkowo, materiał jest bardzo czysty, co sprawia, że zachowanie przypominające płyn jest bezpośrednio dostępne.prof. Levitov

Zaobserwowano, że elektrony przepływające przez wzorzyste kanały w płatkach złota robiły to bez zmiany kierunku, nawet gdy część prądu przechodziła przez każdą z bocznych komór przed połączeniem się z powrotem z głównym prądem. Z kolei elektrony przepływające przez ditellurek wolframu przepłynęły przez kanał i zawirowały w każdej komorze bocznej. Elektrony tworzyły małe wiry w każdej komorze, zanim wypłynęły z powrotem do głównego kanału.

Zaobserwowaliśmy zmianę kierunku przepływu w komorach, gdzie kierunek przepływu odwrócił się w porównaniu do tego w pasie centralnym. To bardzo uderzająca rzecz i jest to ta sama fizyka, co w zwykłych płynach, ale dziejąca się z elektronami w nanoskali. To wyraźna sygnatura tego, że elektrony znajdują się w reżimie podobnym do płynów.

Odkrycia naukowców z MIT stanowią eksperymentalne potwierdzenie fundamentalnej właściwości w zachowaniu elektronów. Mogą przyczynić się do stworzenia urządzeń o niskiej mocy, które przewodzą prąd w bardziej “płynny” sposób.