Een team van onderzoekers van Boston College heeft een nieuw metalen exemplaar gemaakt waarbij de beweging van elektronen op dezelfde manier stroomt als water in een pijp stroomt - fundamenteel veranderend van deeltjesachtige naar vloeistofachtige dynamiek, het team meldt zich Natuurcommunicatie .

Werken met collega's van de Universiteit van Texas in Dallas en Florida State University, Boston College Assistant Professor of Physics Fazel Tafti gevonden in de metalen supergeleider, een synthese van Niobium en Germanium (NbGe ₂ ), dat een sterke interactie tussen elektronen en fononen het transport van elektronen uit de diffuse, of deeltjesachtig, naar hydrodynamisch, of vloeistofachtige, regime.

De bevindingen markeren de eerste ontdekking van een elektron-fononvloeistof in NbGe ₂ , zei Tafti.

"We wilden een recente voorspelling van de 'elektron-fononvloeistof' testen, "Tafti zei, opmerkend dat fononen de trillingen van een kristalstructuur zijn. "Typisch, elektronen worden verstrooid door fononen, wat leidt tot de gebruikelijke diffusiebeweging van elektronen in metalen. Een nieuwe theorie laat zien dat wanneer elektronen sterk interageren met fononen, ze zullen een verenigde elektron-fononvloeistof vormen. Deze nieuwe vloeistof zal in het metaal stromen op precies dezelfde manier als water door een pijp stroomt."

Door de voorspellingen van theoretici te bevestigen, de experimenteel fysicus Tafti - in samenwerking met zijn Boston College-collega Professor of Physics Kenneth Burch, Luis Balicas van FSU, en Julia Chan van UT-Dallas - zegt dat de ontdekking zal leiden tot verdere verkenning van het materiaal en de mogelijke toepassingen ervan.

Tafti merkte op dat ons dagelijks leven afhankelijk is van de stroming van water in leidingen en elektronen in draden. Hoe vergelijkbaar ze ook mogen klinken, de twee verschijnselen zijn fundamenteel verschillend. Watermoleculen stromen als een vloeibaar continuüm, niet als individuele moleculen, gehoorzamen aan de wetten van de hydrodynamica. elektronen, echter, stromen als individuele deeltjes en diffunderen in metalen als ze worden verstrooid door roostertrillingen.

Het onderzoek van het team, met belangrijke bijdragen van afgestudeerde studentonderzoeker Hung-Yu Yang, die in 2021 promoveerde aan BC, gericht op de geleiding van elektriciteit in het nieuwe metaal, NbGe ₂ , zei Tafti.

Ze pasten drie experimentele methoden toe:elektrische weerstandsmetingen toonden een hoger dan verwachte massa voor elektronen; Ramanverstrooiing toonde een gedragsverandering in de vibratie van de NbGe ₂ kristal door de speciale stroom van elektronen; en röntgendiffractie onthulde de kristalstructuur van het materiaal.

Door een specifieke techniek te gebruiken die bekend staat als de "kwantumoscillaties" om de massa van elektronen in het materiaal te evalueren, de onderzoekers ontdekten dat de massa van elektronen in alle trajecten drie keer groter was dan de verwachte waarde, zei Tafti, wiens werk wordt ondersteund door de National Science Foundation.

"Dit was echt verrassend omdat we zulke 'zware elektronen' niet hadden verwacht in een ogenschijnlijk eenvoudig metaal, ' zei Tafti. 'Uiteindelijk, we begrepen dat de sterke elektron-fonon-interactie verantwoordelijk was voor het gedrag van zware elektronen. Omdat elektronen interageren met roostertrillingen, of fononen, sterk, ze worden 'gesleept' door het rooster en het lijkt alsof ze massa hebben gewonnen en zwaar zijn geworden."

Tafti zei dat de volgende stap is om andere materialen in dit hydrodynamische regime te vinden door gebruik te maken van de elektron-fonon-interacties. Zijn team zal zich ook richten op het beheersen van de hydrodynamische vloeistof van elektronen in dergelijke materialen en het ontwikkelen van nieuwe elektronische apparaten.