پس از سال ها جستجو، فیزیکدانان مشاهده کردند که الکترون ها به گرداب های سیال مانند جریان می یابند.

برای اولین بار، فیزیکدانان شاهد چیزی فوق‌العاده هیجان‌انگیز بوده‌اند: الکترون‌هایی که گرداب‌هایی را درست مانند یک سیال تشکیل می‌دهند.

این رفتاری است که دانشمندان مدت‌ها پیش پیش‌بینی کرده بودند، اما قبلاً هرگز مشاهده نکرده بودند. و می تواند کلید توسعه نسل بعدی الکترونیک کارآمدتر و سریعتر باشد.

“در تئوری گردابهای الکترونی انتظار می رود، اما هیچ مدرک مستقیمی وجود ندارد، و دیدن باور کردن است” یکی از محققین پشت این مطالعه جدید، فیزیکدان لئونید لویتوف از MIT می گوید.

“اکنون ما آن را دیده‌ایم، و این نشانه واضحی از حضور در این رژیم جدید است، جایی که الکترون‌ها به‌عنوان یک سیال رفتار می‌کنند، نه به عنوان ذرات منفرد.”

در حالی که الکترون‌ها در جریان هستند. در یک گرداب ممکن است آنقدرها پیشگام به نظر نرسد، این موضوع بسیار مهمی است زیرا جریان مانند یک سیال منجر به تحویل انرژی بیشتری به نقطه پایانی می شود، به جای اینکه در طول مسیر از بین برود در حالی که الکترون ها توسط چیزهایی مانند ناخالصی در ماده یا ارتعاشات تکان می خورد. در اتم‌ها.

“ما می‌دانیم که وقتی الکترون‌ها در حالت سیال قرار می‌گیرند، [انرژی] اتلاف کاهش می‌یابد، و این موضوع در تلاش برای طراحی الکترونیک کم‌قدرت جالب است،” می گوید Levitov. “این مشاهدات جدید گام دیگری در این مسیر است.”

این کار آزمایشی مشترک بین MIT، موسسه علوم Weizmann در اسرائیل و دانشگاه کلرادو در دنور بود.

>البته، ما قبلاً می دانیم که الکترون ها می توانند از یکدیگر جهش کنند و بدون مقاومت در ابررساناها جریان داشته باشند، اما نتیجه این است. از تشکیل چیزی که به عنوان “جفت‌های کوپر شناخته می‌شود و نیست. یک مثال واقعی از الکترون هایی که در مجموع مانند یک سیال در جریان هستند.

برای مثال آب را در نظر بگیرید. مولکول‌های آب ذرات جداگانه‌ای هستند، اما طبق اصول دینامیک سیالات به صورت یکی حرکت می‌کنند، یکدیگر را در سطحی حمل می‌کنند، جریان‌ها و گرداب‌هایی را در حین حرکت می‌سازند.

یک جریان الکتریکی اساساً باید بتواند این کار را انجام دهد. به همین ترتیب، اما هر رفتار جمعی الکترون ها معمولاً توسط ناخالصی ها و ارتعاشات در فلزات معمولی و حتی نیمه هادی ها تحت تأثیر قرار می گیرد. این “حواس پرتی” الکترون ها را در حین حرکت به اطراف می زند و آنها را از نشان دادن رفتار سیال مانند باز می دارد.

مدت‌ها پیش‌بینی می‌شد که در مواد خاص در دمای نزدیک به صفر، این تداخل‌ها ناپدید می‌شوند و به الکترون‌ها اجازه می‌دهند مانند یک سیال حرکت کنند… اما مشکل این بود که هیچ‌کس واقعاً نتوانسته بود این موضوع را ثابت کند. ، تا کنون.

دو ویژگی اساسی برای یک سیال وجود دارد: جریان خطی، که در آن ذرات مجزا همه به صورت موازی به صورت یک جریان می یابند. و تشکیل گرداب ها و گرداب ها.

اولین مورد توسط لویتوف و همکارانش در دانشگاه منچستر در سال ۲۰۱۷ مشاهده شد با استفاده از گرافن. در صفحات نازک اتمی کربن، لویتوف و تیمش نشان دادند که یک جریان الکتریکی می‌تواند از طریق یک نقطه فشرده مانند سیال به جای مانند دانه‌های شن جریان یابد.

اما هیچ‌کس وجود ندارد. ویژگی دوم را دیده بود. «با وجود پیش‌بینی‌های نظری متعدد، برجسته‌ترین و همه‌جای‌ترین ویژگی در جریان سیالات منظم، تشکیل گرداب‌ها و آشفتگی، هنوز در سیالات الکترونی مشاهده نشده است.» محققان می نویسند.

برای پی بردن به این موضوع، تیم تک کریستال های خالص و منفرد یک اولترا را انتخاب کردند. -مواد تمیزی که به نام دیتلورید تنگستن (WTe_۲) شناخته می‌شود و تکه‌های نازک تک اتمی بریده شده است.

سپس آنها یک الگو را در یک کانال مرکزی با یک محفظه دایره ای در دو طرف حک کردند و یک “پیچ و خم” برای عبور جریان الکتریکی ایجاد کردند. آنها همان الگوی را روی تکه های طلا حک کردند، که خواص فوق العاده تمیزی مانند دیتلورید تنگستن را ندارد و بنابراین به عنوان یک کنترل عمل می کند.

(آهارون-اشتاینبرگ و همکاران، Nature، ۲۰۲۲)

بالا: نمودار سمت چپ نشان می‌دهد که چگونه الکترون‌ها در آزمایش در طلا جریان می‌یابند ( طلا) پولک. تصویر سمت راست شبیه‌سازی رفتار الکترون‌های سیال‌مانند را نشان می‌دهد.

پس از سرد شدن ماده تا حدود -۲۶۹ درجه سانتی‌گراد (۴.۵ کلوین یا -۴۵۱.۵۷ فارنهایت) آنها جریان الکتریکی را از آن عبور دادند و جریان را در نقاط خاصی در سراسر ماده اندازه‌گیری کردند تا چگونگی جریان الکترون‌ها را ترسیم کنند.

در تکه‌های طلا، الکترون‌ها از طریق آن جریان داشتند. پیچ و خم بدون تغییر جهت، حتی زمانی که جریان قبل از بازگشت به جریان اصلی از هر محفظه جانبی عبور کرده باشد.

در مقابل، در داخل دیتلورید تنگستن، الکترون ها از کانال عبور کرده و سپس به هر طرف می چرخند. محفظه ای که گرداب ایجاد می کند، قبل از بازگشت به کانال اصلی – همانطور که انتظار دارید یک سیال انجام دهد.

“ما تغییری در جهت جریان در محفظه ها مشاهده کردیم، جایی که جهت جریان به صورت معکوس شد. در مقایسه با نوار مرکزی،” می گوید Levitov.

“این یک چیز بسیار چشمگیر است، و همان فیزیک سیالات معمولی است، اما اتفاق می افتد. با الکترون در مقیاس نانو این نشانه واضحی از قرار گرفتن الکترون ها در یک رژیم سیال مانند است.”

(Aharon-Steinberg et al., Nature, ۲۰۲۲)

در بالا: ستون سمت چپ نشان می‌دهد که چگونه الکترون‌ها از طریق دی‌تلورید تنگستن (WTe_۲) در مقایسه با شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی در ستون  سمت چپ جریان می‌یابند. 

اما این “اولین تجسم مستقیم گرداب های چرخان در جریان الکتریکی” به عنوان بیانیه مطبوعاتی توضیح می دهد. نه تنها این تاییدیه که ال اکترون‌ها می‌توانند مانند یک سیال رفتار کنند، این پیشرفت همچنین می‌تواند به مهندسان کمک کند تا درک بهتری از نحوه استفاده از این پتانسیل در دستگاه‌های خود داشته باشند.

این تحقیق در طبیعت.