Elektronen stromen door de meeste materialen meer als een gas dan als een vloeistof, wat betekent dat ze niet veel met elkaar omgaan. Lange tijd werd aangenomen dat elektronen kunnen stromen als een vloeistof, maar alleen door recente ontwikkelingen in materialen en meettechnieken konden deze effecten in 2D-materialen worden waargenomen. in 2020, de laboratoria van Amir Yacoby, Hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Filip Kim, hoogleraar natuurkunde en hoogleraar toegepaste natuurkunde aan Harvard en Ronald Walsworth, voorheen van het Departement Natuurkunde aan Harvard, waren een van de eersten die elektronen afbeelden die in grafeen stromen zoals water door een pijp stroomt.

De bevindingen zorgden voor een nieuwe zandbak om elektroneninteracties te onderzoeken en boden een nieuwe manier om elektronen te controleren, maar alleen in tweedimensionale materialen. Elektronenhydrodynamica in driedimensionale materialen bleef veel ongrijpbaarder vanwege een fundamenteel gedrag van elektronen in geleiders dat bekend staat als afscherming. Wanneer er een hoge dichtheid van elektronen in een materiaal is, zoals bij het geleiden van metalen, elektronen zijn minder geneigd om met elkaar in wisselwerking te staan.

Recent onderzoek suggereerde dat hydrodynamische elektronenstroom in 3D-geleiders mogelijk was, maar hoe het precies gebeurde of hoe het te observeren bleef onbekend. Tot nu.

Een team van onderzoekers van Harvard en MIT ontwikkelde een theorie om uit te leggen hoe hydrodynamische elektronenstroom in 3D-materialen kan optreden en observeerde het voor het eerst met behulp van een nieuwe beeldvormingstechniek.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurfysica .

"Dit onderzoek biedt een veelbelovende weg voor het zoeken naar hydrodynamische stroming en prominente elektroneninteracties in materialen met een hoge dragerdichtheid, " zei Prineha Narang, Universitair docent Computational Materials Science bij SEAS en senior auteur van de studie.

Hydrodynamische elektronenstroom is afhankelijk van sterke interacties tussen elektronen, net zoals water en andere vloeistoffen afhankelijk zijn van sterke interacties tussen hun deeltjes. Om efficiënt te kunnen stromen, elektronen in materialen met een hoge dichtheid rangschikken zichzelf zodanig dat interacties worden beperkt. Het is dezelfde reden waarom groepsdansen zoals de elektrische glijbaan niet veel interactie tussen dansers met zich meebrengt - met zoveel mensen, het is voor iedereen gemakkelijker om zijn eigen bewegingen te maken.

"Daten, hydrodynamische effecten zijn grotendeels afgeleid uit transportmetingen, die effectief de ruimtelijke handtekeningen door elkaar gooit, "zei Yacoby. "Ons werk heeft een ander pad ingeslagen in het observeren van deze dans en het begrijpen van hydrodynamica in systemen buiten grafeen met nieuwe kwantumsondes van elektronencorrelaties."

De onderzoekers stelden voor dat in plaats van directe interacties, elektronen in materialen met een hoge dichtheid kunnen met elkaar interageren door de kwantumtrillingen van het atoomrooster, bekend als fononen.

"We kunnen de fonon-gemedieerde interacties tussen elektronen bedenken door ons voor te stellen dat twee mensen op een trampoline springen, die elkaar niet rechtstreeks voortstuwen maar via de elastische kracht van de veren, " zei Yaxian Wang, een postdoctoraal onderzoeker in het NarangLab bij SEAS en co-auteur van de studie.

Om dit mechanisme te observeren, de onderzoekers ontwikkelden een nieuwe cryogene scanningsonde op basis van het stikstof-vacature-defect in diamant, die het lokale magnetische veld van een stroom in beeld bracht in een materiaal dat gelaagd halfmetaal wolfraam ditelluride wordt genoemd.

"Onze kleine kwantumsensor is gevoelig voor kleine veranderingen in het lokale magnetische veld, waardoor we de magnetische structuur in een materiaal direct kunnen verkennen, " zei Uri Vool, John Harvard onderscheiden wetenschappelijke fellow en co-hoofdauteur van de studie.

De onderzoekers vonden niet alleen bewijs van hydrodynamische stroming binnen driedimensionaal wolfraamditelluride, maar ze ontdekten ook dat het hydrodynamische karakter van de stroming sterk afhangt van de temperatuur.

"Hydrodynamische stroming vindt plaats in een smal regime waar de temperatuur niet te hoog en niet te laag is, en dus was het unieke vermogen om over een breed temperatuurbereik te scannen cruciaal om het effect te zien, " zei Assaf Hamo, een postdoctoraal onderzoeker in het Yacoby-lab en co-hoofdauteur van de studie.

"Het vermogen om deze hydrodynamische stromen in driedimensionale geleiders af te beelden en te ontwerpen als een functie van temperatuur, opent de mogelijkheid om bijna dissipatieloze elektronica te realiseren in apparaten op nanoschaal, en biedt ook nieuwe inzichten in het begrijpen van elektron-elektron-interacties, " zei Georgios Varnavides, een doctoraatsstudent in het NarangLab bij SEAS en een van de hoofdauteurs van de studie. "Het onderzoek effent ook de weg voor het verkennen van niet-klassiek vloeistofgedrag in hydrodynamische elektronenstroom, zoals steady-state wervels."

"Dit is een opwindend en interdisciplinair veld waarin concepten worden gesynthetiseerd van gecondenseerde materie en materiaalwetenschap tot computationele hydrodynamica en statistische fysica, " zei Narang. In eerder onderzoek, Varnavides en Narang classificeerden verschillende soorten hydrodynamisch gedrag die zouden kunnen optreden in kwantummaterialen waar elektronen collectief stromen.