После долгих лет поисков физики обнаружили, что электроны попадают в водовороты, похожие на жидкость

Впервые физики стали свидетелями невероятно захватывающего явления: электроны образуют водовороты, подобно жидкости.

Это поведение ученые давно предсказывали, но никогда раньше не наблюдали. И оно может стать ключом к разработке более эффективной и быстрой электроники следующего поколения.

"Электронные вихри теоретически ожидаемы, но прямых доказательств не было, а видеть - значит верить", - говорит один из авторов нового исследования, физик Леонид Левитов из Массачусетского технологического института. 

"Теперь мы это увидели, и это явный признак нахождения в новом режиме, где электроны ведут себя как жидкость, а не как отдельные частицы".

Хотя электроны, текущие в вихре, могут показаться не такими уж революционными, это очень важно, потому что при движении как жидкость больше энергии доставляется в конечную точку, а не теряется по пути, когда электроны сталкиваются с такими вещами, как примеси в материале или вибрации в атомах.

"Мы знаем, что когда электроны переходят в жидкое состояние, рассеивание [энергии] снижается, и это представляет интерес при разработке маломощной электроники", - говорит Левитов. "Это новое наблюдение - еще один шаг в этом направлении".

Работа представляла собой совместный эксперимент Массачусетского технологического института, Научного института Вейцмана в Израиле и Университета Колорадо в Денвере.

Конечно, мы уже знаем, что электроны могут отскакивать друг от друга и течь без сопротивления в сверхпроводниках, но это результат образования чего-то, известного как "пары Купера", и не является истинным примером коллективного течения электронов как жидкости.

Возьмем, к примеру, воду. Молекулы воды - это отдельные частицы, но они движутся как единое целое в соответствии с принципами гидродинамики, перенося друг друга по поверхности, создавая потоки и водовороты.

Электрический ток, по сути, должен быть способен делать то же самое, но любое коллективное поведение электронов обычно отменяется примесями и вибрациями в обычных металлах и даже полупроводниках. Эти "отвлекающие факторы" сбивают электроны с пути и не дают им проявлять поведение, подобное жидкости. 

Уже давно было предсказано, что в специальных материалах при температуре, близкой к нулю, эти помехи должны исчезать, позволяя электронам двигаться подобно жидкости... но проблема заключалась в том, что до сих пор никто не мог доказать, что это именно так.

У жидкости есть две фундаментальные особенности: линейное течение, когда отдельные частицы текут параллельно, как единое целое, и образование вихрей и завихрений.

Первое было замечено Левитовым и его коллегами из Манчестерского университета в 2017 году на примере графена. В тонких листах углерода Левитов и его команда показали, что электрический ток может протекать через точку защемления как жидкость, а не как песчинки.

Но никто не видел второй особенности. "Наиболее яркая и повсеместная особенность течения обычных жидкостей - образование вихрей и турбулентности - до сих пор не наблюдалась в электронных жидкостях, несмотря на многочисленные теоретические предсказания", - пишут исследователи.

Чтобы выяснить это, команда взяла чистые монокристаллы сверхчистого материала, известного как дителлурид вольфрама (WTe2), и нарезала из них чешуйки толщиной в один атом. 

Затем они вытравили рисунок в центральном канале с круглыми камерами по обе стороны, создав "лабиринт" для прохождения электрического тока. Они вытравили тот же рисунок на хлопьях золота, которое не обладает такими же ультрачистыми свойствами, как дителлурид вольфрама, и поэтому выступало в качестве контроля. 

Выше: Диаграмма слева показывает, как электроны текли в эксперименте в хлопьях золота (Au). На рисунке справа показано моделирование того, как, по их мнению, должны вести себя электроны, похожие на жидкость.

После охлаждения материала примерно до -269 градусов Цельсия (4,5 Кельвина или -451,57 Фаренгейта) они пропустили через него электрический ток и измерили поток в определенных точках материала, чтобы определить, как текут электроны.

В золотых чешуйках электроны проходили через лабиринт, не меняя направления, даже когда ток проходил через каждую боковую камеру, прежде чем вернуться к основному току.

В дителлуриде вольфрама, напротив, электроны текли по каналу, затем закручивались в каждой боковой камере, создавая водовороты, а затем стекали обратно в основной канал - как и полагается жидкости.

"Мы наблюдали изменение направления потока в камерах, где направление потока менялось на противоположное по сравнению с направлением потока в центральной полосе", - говорит Левитов.

"Это очень поразительная вещь, и это та же физика, что и в обычных жидкостях, но происходящая с электронами в наномасштабе. Это явный признак того, что электроны находятся в режиме, подобном жидкости".

Выше: Колонка слева показывает, как электроны проходили через дителлурид вольфрама (WTe2) по сравнению с гидродинамическим моделированием в левой колонке. 

Конечно, этот эксперимент проводился при ультрахолодных температурах со специализированным материалом - это не то, что скоро будет происходить в ваших домашних гаджетах. Также были ограничения по размеру камер и среднего канала.

Но это "первая прямая визуализация вихрей в электрическом токе", как поясняется в пресс-релизе. Это не только подтверждает, что электроны могут вести себя как жидкость, но и может помочь инженерам лучше понять, как использовать этот потенциал в своих устройствах. 

Исследование было опубликовано в журнале Nature.