Wanneer elektronen door een geleider stromen, zoals de koperdraden in onze telefoonopladers of de siliciumchips in de printplaten van onze laptops, botsen ze met materiële onzuiverheden en met elkaar in een kleine atomaire razernij. Hun interactie met onzuiverheden is bekend.

Nog, terwijl begrijpen hoe elektronen met elkaar omgaan fundamenteel is voor het begrijpen van de fysica, het meten van de sterkte van deze interacties is een lastige uitdaging gebleken voor natuurkundigen.

Een team onder leiding van Virginia Tech-onderzoekers heeft ontdekt dat door het creëren van een specifieke reeks voorwaarden, ze konden elektron-elektron-interacties nauwkeuriger dan ooit kwantificeren. Hun bevindingen breiden uit op bestaande natuurkundige theorieën en kunnen worden toegepast op het verbeteren van elektronische apparaten en kwantumcomputers. Ze publiceerden onlangs hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Om te bestuderen hoe elektronen met elkaar omgaan, het team fabriceerde kleine apparaten die een elektronenstraal zouden creëren. Ze hadden drie specifieke voorwaarden nodig om de resultaten te krijgen:lage temperaturen, een magnetisch veld om de elektronen in banen rond te laten dwarrelen, en ultrazuivere materialen geleverd door medewerkers van Purdue University. Hun doel:om te zien hoe ver elektronen op hun baan zouden reizen voordat ze andere elektronen tegenkomen en verstrooien. Omdat het apparaat is gemaakt van ultrazuivere materialen, het team wist dat er geen andere variabelen waren die de verstrooiing konden veroorzaken - ze konden getuige zijn van de interactie van de elektronen zonder enige storende variabelen.

"Wat meestal gebeurt in een gewone, onzuivere halfgeleider is dat elektronen zoveel botsingen ondergaan met onzuiverheden dat je eigenlijk nooit weet wat de elektron-elektron-interacties eigenlijk doen, zei Jean Heremans, een professor in de afdeling Natuurkunde in het College of Science. "Maar als je die onzuiverheden verwijdert, je houdt een ultrazuiver materiaal over, en plotseling worden die elektron-elektron-interacties duidelijk. Het was een beetje een verrassing voor ons dat het zo'n groot effect was - dat we het konden gebruiken om de elektroneninteracties te kwantificeren."

Echter, dit was niet de enige verrassing die het team tegenkwam. Wetenschappers hebben onlangs ontdekt dat in bepaalde materialen en omstandigheden, groepen elektronen stromen samen en gedragen zich vergelijkbaar met een vloeistof. Met behulp van krachtige computers, projectmedewerkers bij het Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York, gesimuleerd hoe de groep elektronen stroomde. Hun beelden onthulden dat de elektronen in wervels stroomden, zoals draaikolken - een gedrag dat nog moet worden gedocumenteerd in de aanwezigheid van een magnetisch veld.

"De draaikolken blijven bestaan, zelfs als de interacties tussen elektronen erg zwak zijn, " zei Adbhut Gupta, de hoofdauteur van de studie en een Ph.D. kandidaat in het laboratorium van Heremans. "Op dit punt, er is niet veel bekend over dit collectieve gedrag in de zwakke interactiegrens. Het is een nieuw fenomeen, een die een enkel deeltje niet zou hebben getoond. Ons experiment is het eerste experiment dat wijst op dit soort collectief gedrag."

Ook aan de studie werkte Gitansh Kataria, een afgestudeerde student in de Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, onderdeel van het Virginia Tech College of Engineering.

De ontdekkingen van het team kunnen van cruciaal belang zijn om wetenschappers te helpen bij het heroverwegen van enkele van de meest fundamentele natuurkundige theorieën, zoals de Fermi-vloeistoftheorie, die de normale toestand van metalen bij lage temperaturen beschrijft.

"Wat we ontdekten, is dat die theorieën worden gehoorzaamd, maar slechts in de buurt. We zagen afwijkingen van de theoretische verwachtingen, " zei Heremans. "Dat is interessant, want als alles volgens de theorie is, waarom is het nodig om experimenten te doen om mee te beginnen? Het is niet zo dat we het helemaal met elkaar eens moeten zijn, maar we moeten begrijpen wat er aan de theorie ontbreekt."

De resultaten van dit onderzoek kunnen worden toegepast om de elektronica, zoals sensoren en telecommunicatieapparatuur, zei Heremans. Plus, dit onderzoek zou kunnen bijdragen aan het baanbrekende veld van kwantumcomputers, waarvan een deel afhankelijk is van elektron-elektron-interacties om nieuwe kwantumtoestanden te vormen. Door het gedrag van elektronen te begrijpen, kunnen natuurkundigen de kracht van elektronen volledig benutten in nieuwe innovaties en toepassingen.