Hoewel het afzonderlijke deeltjes zijn, stromen watermoleculen samen als vloeistoffen en produceren ze stromen, golven, draaikolken en andere klassieke vloeistoffenomenen.

Niet zo met elektriciteit. Hoewel een elektrische stroom ook een constructie is van afzonderlijke deeltjes - in dit geval elektronen - zijn de deeltjes zo klein dat elk collectief gedrag tussen hen wordt overstemd door grotere invloeden wanneer elektronen door gewone metalen gaan. Maar in bepaalde materialen en onder specifieke omstandigheden vervagen dergelijke effecten en kunnen elektronen elkaar direct beïnvloeden. In deze gevallen kunnen elektronen collectief stromen als een vloeistof.

Nu hebben natuurkundigen van het MIT en het Weizmann Institute of Science elektronen waargenomen die in draaikolken of draaikolken stromen - een kenmerk van vloeistofstroming waarvan theoretici voorspelden dat elektronen zouden moeten vertonen, maar dat tot nu toe nooit is waargenomen.

"Elektronenwervelingen worden in theorie verwacht, maar er is geen direct bewijs, en zien is geloven", zegt Leonid Levitov, hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "Nu hebben we het gezien, en het is een duidelijk teken dat we ons in dit nieuwe regime bevinden, waar elektronen zich gedragen als een vloeistof, niet als individuele deeltjes."

De waarnemingen, gerapporteerd in het tijdschrift Nature , zou kunnen bijdragen aan het ontwerp van efficiëntere elektronica.

"We weten dat wanneer elektronen in een vloeibare toestand komen, de dissipatie van [energie] daalt, en dat is van belang bij het ontwerpen van elektronica met een laag vermogen", zegt Levitov. "Deze nieuwe waarneming is weer een stap in die richting."

Levitov is co-auteur van het nieuwe artikel, samen met Eli Zeldov en anderen van het Weizmann Institute for Science in Israël en de University of Colorado in Denver.

Een collectieve druk

Wanneer elektriciteit door de meeste gewone metalen en halfgeleiders loopt, worden de momenten en banen van elektronen in de stroom beïnvloed door onzuiverheden in het materiaal en trillingen tussen de atomen van het materiaal. Deze processen domineren het elektronengedrag in gewone materialen.

Maar theoretici hebben voorspeld dat bij afwezigheid van dergelijke gewone, klassieke processen, kwantumeffecten het over zouden moeten nemen. Elektronen zouden namelijk elkaars delicate kwantumgedrag moeten oppikken en collectief moeten bewegen, als een stroperige, honingachtige elektronenvloeistof. Dit vloeistofachtige gedrag zou zich moeten voordoen in ultraschone materialen en bij temperaturen van bijna nul.

In 2017 rapporteerden Levitov en collega's van de Universiteit van Manchester handtekeningen van dergelijk vloeistofachtig elektronengedrag in grafeen, een atoomdunne laag koolstof waarop ze een dun kanaal met verschillende knijppunten etsten. Ze merkten op dat een stroom die door het kanaal werd gestuurd met weinig weerstand door de vernauwingen kon stromen. Dit suggereerde dat de elektronen in de stroom collectief door de knijppunten konden persen, net als een vloeistof, in plaats van te verstoppen, zoals individuele zandkorrels.

Deze eerste indicatie zette Levitov ertoe aan om andere elektronenvloeistoffenomeen te onderzoeken. In de nieuwe studie probeerden hij en collega's van het Weizmann Institute for Science elektronenwervelingen te visualiseren. Zoals ze in hun artikel schrijven:"het meest opvallende en alomtegenwoordige kenmerk in de stroom van reguliere vloeistoffen, de vorming van wervelingen en turbulentie, is nog niet waargenomen in elektronenvloeistoffen, ondanks talrijke theoretische voorspellingen."

Kanaalstroom

Om elektronenwervelingen te visualiseren, keek het team naar wolfraamditelluride (WTe2), een ultraschone metaalverbinding waarvan is vastgesteld dat deze exotische elektronische eigenschappen vertoont wanneer deze wordt geïsoleerd in een enkel-atoom-dunne, tweedimensionale vorm.

"Tungsten ditelluride is een van de nieuwe kwantummaterialen waar elektronen sterk op elkaar inwerken en zich gedragen als kwantumgolven in plaats van deeltjes", zegt Levitov. "Bovendien is het materiaal erg schoon, waardoor het vloeistofachtige gedrag direct toegankelijk is."

De onderzoekers synthetiseerden pure eenkristallen van wolfraamditelluride en exfolieerden dunne vlokken van het materiaal. Vervolgens gebruikten ze e-beam-lithografie en plasma-etstechnieken om elke vlok in een middenkanaal te vormen dat aan weerszijden was verbonden met een cirkelvormige kamer. Ze etsten hetzelfde patroon in dunne goudvlokken - een standaardmetaal met gewone, klassieke elektronische eigenschappen.

Vervolgens lieten ze een stroom door elk patroonmonster lopen bij ultralage temperaturen van 4,5 kelvin (ongeveer -450 graden Fahrenheit) en maten de stroom op specifieke punten in elk monster, met behulp van een nanoschaal scanning supergeleidend kwantuminterferentieapparaat (SQUID) op een punt. Dit apparaat is ontwikkeld in het laboratorium van Zeldov en meet magnetische velden met extreem hoge precisie. Door het apparaat te gebruiken om elk monster te scannen, kon het team in detail observeren hoe elektronen door de patroonkanalen in elk materiaal stroomden.

De onderzoekers merkten op dat elektronen die door kanalen met patronen in goudvlokken stroomden, dit deden zonder van richting te veranderen, zelfs wanneer een deel van de stroom door elke zijkamer ging voordat ze weer bij de hoofdstroom kwamen. Daarentegen stroomden elektronen die door wolfraamditelluride stromen door het kanaal en wervelden in elke zijkamer, net zoals water zou doen bij het legen in een kom. De elektronen creëerden kleine draaikolken in elke kamer voordat ze terugstroomden in het hoofdkanaal.

"We zagen een verandering in de stroomrichting in de kamers, waar de stroomrichting de richting omkeerde in vergelijking met die in de centrale strook", zegt Levitov. "Dat is heel opvallend, en het is dezelfde fysica als die in gewone vloeistoffen, maar gebeurt met elektronen op nanoschaal. Dat is een duidelijke handtekening van elektronen die zich in een vloeistofachtig regime bevinden."

De waarnemingen van de groep zijn de eerste directe visualisatie van wervelende wervels in een elektrische stroom. De bevindingen vertegenwoordigen een experimentele bevestiging van een fundamentele eigenschap in elektronengedrag. Ze kunnen ook aanwijzingen geven over hoe ingenieurs apparaten met een laag vermogen kunnen ontwerpen die elektriciteit op een meer vloeiende, minder resistieve manier geleiden. + Verder verkennen

Eerste glimp van hydrodynamische elektronenstroom in 3D-materialen