Электронные водовороты: ученые наблюдают, как электричество течет подобно воде

Исследователи из Массачусетского технологического института впервые наблюдали «электронные водовороты». Странное поведение возникает, когда электричество течет в виде жидкости, что может сделать электронику более эффективной.

Подобно воде, электричество состоит из дискретных частиц, поэтому можно было бы ожидать, что они будут течь одинаково. Но в то время как молекулы воды достаточно велики, чтобы толкать друг друга и течь вместе, электроны намного меньше, а это означает, что они больше подвержены влиянию своего окружения.

Однако было предсказано, что в идеальных условиях — при температурах, близких к абсолютному нулю, и в чистых, бездефектных материалах — квантовые эффекты должны взять на себя их движение и позволить им течь как электронная жидкость с вязкостью меда.

Если бы ученые могли это использовать, оно могло бы привести к созданию более эффективных электронных устройств, в которых электрический ток протекает с меньшим сопротивлением.

В новом исследовании команда ученых MIT наблюдала явные признаки электронной жидкости — водовороты. Это обычные структуры в потоках жидкости, но совсем не то, что обычно могут создавать электроны, и поэтому они никогда раньше не наблюдались. Исследователи обнаружили электронные вихри в кристаллах дителлурида вольфрама.

«Дителлурид вольфрама — один из новых квантовых материалов, в котором электроны сильно взаимодействуют и ведут себя как квантовые волны, а не как частицы», — сказал Леонид Левитов, соавтор исследования. «Кроме того, материал очень чистый, что делает поведение жидкости доступным».

В этом материале команда ученых выгравировала узкий канал с круглыми камерами по обеим сторонам, затем пропустила через него ток и измерила поток электронов.

В стандартных материалах, таких как золото, электроны всегда будут течь в одном и том же общем направлении, даже когда они распространяются по камерам, а затем возвращаются в центральный канал. Но в дителлуриде вольфрама электроны закручивались в круглых камерах, меняя направление и создавая водовороты.

«Электронные вихри в теории ожидаются, но прямых доказательств нет, а увидеть — значит поверить», — сказал Леонид Левитов. «Теперь мы это увидели, и это явный признак того, что мы находимся в этом новом режиме, когда электроны ведут себя как жидкость, а не как отдельные частицы».

Это подтверждение давнего предсказания может помочь ученым разработать более эффективную электронику.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.