Als je mensen door een straat ziet lopen en bij een splitsing komt, het is moeilijk te voorspellen welke richting ze op zullen gaan. Maar, als je mensen in aparte boten ziet zitten, drijvend in een stroom, en de stroom splitst zich in twee kanalen, het is waarschijnlijk dat de meeste, zo niet alle, van hen zal één kanaal worden afgevoerd, het kanaal met de sterkere stroming.

Wetenschappers van de Quantum Dynamics Unit van Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) kijken naar iets soortgelijks, maar hun onderzoek is op veel kleinere schaal. Ze doen experimenten om te zien hoe de beweging van elektronen wordt beïnvloed door vloeistof. Deze studie is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Professor Denis Konstantinov, wie de eenheid leidt, demonstreerde het concept met een stuk draad. "Als we een elektrische stroom door een stuk draad laten lopen, dan weten we dat de elektronen van het ene uiteinde naar het andere gaan. Als we de draad in tweeën splitsen, de helft van de elektronen zal langs één kant naar beneden stromen, en de andere helft zal langs de andere stromen."

Dit komt door de wet van Ohm, een natuurkundige wet, waarin staat dat elektrische stroom evenredig is met spanning en omgekeerd evenredig met weerstand, dus als de weerstand gelijkelijk over twee kanalen wordt verdeeld, de helft van de elektronen zal elk kanaal naar beneden gaan.

"Maar, Professor Konstantinov legde uit. "Als de elektronen op vloeistof zitten, in plaats van in een vaste, ze kunnen de wet van Ohm overtreden. Dat wilden we meten."

Deze theorie komt van het concept van een polaron, dat is een elektron dat is "aangekleed" door een wolk van het medium waarin het zit. Dit maakt het zwaarder, langzamer en verandert zijn gedrag. Eerder werden polarons besproken in termen van ionische kristallen in vaste stoffen, maar veel zeldzamer in vloeistoffen.

De onderzoekers gebruikten supervloeibaar helium, die een aantal unieke eigenschappen heeft. Bijvoorbeeld, het blijft in vloeibare vorm bij temperaturen tot het absolute nulpunt, wanneer een andere vloeistof zou bevriezen, en gedraagt ​​zich als vloeistof zonder viscositeit, of geen weerstand. Elektronen zouden alleen bovenop kunnen zitten, in plaats van te zinken. Dus, het voorzag de onderzoekers van een 2D-elektronensysteem.

Ze creëerden een kleine structuur, op de schaal van micrometers, van drie reservoirs verbonden door een T-splitsing, en deze structuur enigszins ondergedompeld in supervloeibaar helium.

Terwijl de elektronen bewogen en de vloeistof verstoorden, ze creëerden capillaire golven, of rimpelingen. Bij hoge elektronendichtheden, de elektronen kwamen vast te zitten in het ondiepe kuiltje van de golven. Deze zijn iets anders dan de traditionele polarons, dus de onderzoekers noemden ze ripplopolarons, geïnspireerd door hun overeenkomsten met rimpelingen op water.

"De wet van Ohm stelt dat de elektronen moeten splitsen bij de T-junctie, " zei professor Konstantinov, "Maar, dankzij behoud van impuls, de vloeistofstroom moet het rechte pad blijven volgen. We theoretiseerden dat de ripplopolarons - de gevangen elektronen - de wet van Ohm zouden breken en allemaal in dezelfde richting zouden worden gedragen."

De onderzoekers pasten een elektrisch veld toe, die de ripplopolarons uit het linker reservoir verplaatste. Terwijl ze langs het kanaal liepen, ze kwamen bij de kruising, en kon ofwel draaien en naar het zijreservoir gaan of rechtdoor naar het rechterreservoir gaan.

Het was zoals de onderzoekers hadden voorspeld. De ripplopolarons gingen rechtstreeks van het linker reservoir naar het rechter reservoir, volgens behoud van momentum in plaats van de wet van Ohm.

Echter, dit wetsovertredend gedrag kwam alleen voor in bepaalde situaties. De dichtheid van elektronen moest hoog zijn, of de ripplopolarons zouden zich niet vormen, en de temperatuur moest laag zijn, of de golven zouden gewoon uitvallen. Toen de onderzoekers het experiment in de tegenovergestelde richting uitvoerden, ze vonden dezelfde unidirectionele beweging, maar toen ze de elektronen uit het zijreservoir lieten lopen, ze ontdekten dat de ripplopolarons bovenaan tegen de muur zouden botsen, de golven zouden verdwijnen en de [nu vrije] elektronen zouden opnieuw de wet van Ohm volgen.

Hoewel er toepassingen zijn om te begrijpen hoe elektronen werken, dit experiment werd vooral gedreven door nieuwsgierigheid. "We wilden weten hoe elektronen worden beïnvloed door het medium waarin ze zich bevinden, " zei professor Konstantinov, "Voor ons, het was de ontdekking die opwindend was. Maar het is ook belangrijk dat we deze eigenschappen begrijpen. Elektronen in vloeistoffen kunnen nuttig zijn als het gaat om het bouwen van qubits, de kleine onderdelen waaruit kwantumcomputers bestaan. Als we elektronen in vloeistoffen zouden kunnen gebruiken voor qubits, kunnen we een flexibele, verplaatsbare architectuur voor de computers."