(davidf/Getty Images) Zum ersten Mal haben Physiker etwas unglaublich Aufregendes beobachtet: Elektronen, die wie eine Flüssigkeit Strudel bilden.
Dieses Verhalten haben Wissenschaftler schon lange vorhergesagt, aber noch nie zuvor beobachtet. Und es könnte der Schlüssel zur Entwicklung effizienterer und schnellerer Elektronik der nächsten Generation sein.
„Theoretisch werden Elektronenwirbel erwartet, aber es gibt keinen direkten Beweis, und sehen heißt glauben.“ sagt einer der Forscher hinter der neuen Studie, Physiker Leonid Levitov vom MIT.
„Jetzt haben wir es gesehen und es ist ein klares Zeichen dafür, dass wir uns in diesem neuen Regime befinden, in dem sich Elektronen wie eine Flüssigkeit und nicht wie einzelne Teilchen verhalten.“
Auch wenn Elektronen, die in einem Wirbel fließen, vielleicht nicht so bahnbrechend klingen, ist das eine große Sache, denn das Fließen wie eine Flüssigkeit führt dazu, dass mehr Energie an den Endpunkt geliefert wird, anstatt unterwegs verloren zu gehen, während Elektronen durch Dinge wie Verunreinigungen im Wirbel herumgeschubst werden Materie oder Schwingungen in Atomen.
„Wir wissen, dass die Energiedissipation abnimmt, wenn Elektronen in einen flüssigen Zustand übergehen, und das ist für den Versuch, Elektronik mit geringem Stromverbrauch zu entwerfen, von Interesse.“ sagt Levitow . „Diese neue Beobachtung ist ein weiterer Schritt in diese Richtung.“
Die Arbeit war ein gemeinsames Experiment zwischen dem MIT, dem Weizmann Institute for Science in Israel und der University of Colorado in Denver.
Natürlich wissen wir bereits, dass Elektronen aneinander abprallen und ohne Widerstand hineinfließen können Supraleiter , aber dies ist das Ergebnis der Bildung von etwas, das als „ Cooper-Paare ' und ist kein echtes Beispiel dafür, dass Elektronen kollektiv wie eine Flüssigkeit fließen.
Nehmen wir zum Beispiel Wasser. Wassermoleküle sind einzelne Teilchen, aber sie bewegen sich gemäß den Prinzipien der Fluiddynamik als Einheit, indem sie sich gegenseitig über eine Oberfläche transportieren und dabei Ströme und Strudel bilden.
Ein elektrischer Strom sollte im Grunde das Gleiche leisten können, aber jedes kollektive Verhalten von Elektronen wird normalerweise durch Verunreinigungen und Vibrationen in normalen Metallen und sogar Halbleitern außer Kraft gesetzt. Diese „Ablenkungen“ schleudern Elektronen auf ihrer Reise herum und verhindern, dass sie ein flüssigkeitsähnliches Verhalten zeigen.
Es wurde schon lange vorhergesagt, dass diese Interferenzen in speziellen Materialien bei Temperaturen nahe dem Nullpunkt verschwinden würden, sodass sich die Elektronen wie eine Flüssigkeit bewegen könnten … Das Problem war jedoch, dass bis jetzt niemand tatsächlich beweisen konnte, dass dies der Fall war.
Es gibt zwei grundlegende Merkmale einer Flüssigkeit: lineare Strömung, bei der einzelne Partikel alle parallel als eins fließen; und die Bildung von Wirbeln und Wirbeln.
Das erste wurde bereits 2017 von Levitov und Kollegen an der Universität Manchester beobachtet unter Verwendung von Graphen . In atomar dünnen Kohlenstoffschichten zeigten Levitov und sein Team, dass ein elektrischer Strom durch eine Quetschstelle wie eine Flüssigkeit und nicht wie Sandkörner fließen kann.
Aber niemand hatte das zweite Feature gesehen. „Das auffälligste und allgegenwärtigste Merkmal in der Strömung regulärer Flüssigkeiten, die Bildung von Wirbeln und Turbulenzen, wurde trotz zahlreicher theoretischer Vorhersagen in Elektronenflüssigkeiten bisher nicht beobachtet.“ schreiben die Forscher .
Um dies herauszufinden, nahm das Team reine Einkristalle eines ultrareinen Materials namens Wolframditellurid (WTe). 2 ) und in atomar dünne Flocken geschnitten.
Anschließend ätzten sie ein Muster in einen zentralen Kanal mit einer kreisförmigen Kammer auf beiden Seiten und schufen so ein „Labyrinth“, durch das ein elektrischer Strom fließen konnte. Sie ätzten das gleiche Muster auf Goldflocken, die nicht die gleichen ultrareinen Eigenschaften wie Wolframditellurid haben und daher als Kontrolle dienten.
(Aharon-Steinberg et al., Natur , 2022)
Oben: Das Diagramm links zeigt, wie im Experiment Elektronen in Goldflocken (Au) flossen. Das Bild rechts zeigt eine Simulation des erwarteten Verhaltens flüssigkeitsähnlicher Elektronen.
Nachdem sie das Material auf etwa -269 Grad Celsius (4,5 Kelvin oder -451,57 Fahrenheit) abgekühlt hatten, ließen sie einen elektrischen Strom durch das Material laufen und maßen den Fluss an bestimmten Punkten im gesamten Material, um den Elektronenfluss zu kartieren.
In den Goldflocken flossen die Elektronen durch das Labyrinth, ohne ihre Richtung zu ändern, selbst wenn der Strom durch jede Seitenkammer geflossen war, bevor er zum Hauptstrom zurückkehrte.
Im Gegensatz dazu flossen die Elektronen im Wolframditellurid durch den Kanal und wirbelten dann in jede Seitenkammer, wodurch Strudel entstanden, bevor sie zurück in den Hauptkanal flossen – wie man es von einer Flüssigkeit erwarten würde.
„Wir beobachteten eine Änderung der Strömungsrichtung in den Kammern, wobei sich die Strömungsrichtung im Vergleich zu der im Mittelstreifen umkehrte.“ sagt Levitow .
„Das ist eine sehr bemerkenswerte Sache, und es ist die gleiche Physik wie in gewöhnlichen Flüssigkeiten, nur dass sie mit Elektronen auf der Nanoskala geschieht.“ Das ist ein klares Zeichen dafür, dass sich Elektronen in einem flüssigkeitsähnlichen Zustand befinden.“
(Aharon-Steinberg et al., Natur , 2022)
Oben: Die Spalte links zeigt, wie die Elektronen durch Wolframditellurid (WTe) flossen 2 ) im Vergleich zu den hydrodynamischen Simulationen links Spalte.
Natürlich wurde dieses Experiment bei extrem kalten Temperaturen mit einem speziellen Material durchgeführt – so etwas wird bei Ihren Heimgeräten in absehbarer Zeit nicht passieren. Es gab auch Größenbeschränkungen für die Kammern und den Mittelkanal.
Dies ist jedoch die „erste direkte Visualisierung wirbelnder Wirbel in einem elektrischen Strom“. Pressemitteilung erklärt . Dies ist nicht nur eine Bestätigung dafür, dass Elektronen dürfen Obwohl sie sich wie eine Flüssigkeit verhalten, könnte der Fortschritt den Ingenieuren auch dabei helfen, besser zu verstehen, wie sie dieses Potenzial in ihren Geräten nutzen können.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .