Хотя молекулы воды представляют собой отдельные частицы, они собираются в жидкости, образуя потоки, волны, водовороты и другие классические жидкостные явления.
С электричеством дело обстоит иначе. Хотя электрический ток также является конструкцией из отдельных частиц — в данном случае, электронов — частицы настолько малы, что любое коллективное поведение между ними заглушается более значительными влияниями, когда электроны проходят через обычные металлы. Но в определенных материалах и при определенных условиях такие эффекты исчезают, и электроны могут напрямую влиять друг на друга. В этих случаях электроны могут течь коллективно, как жидкость.
Теперь физики из Массачусетского технологического института и Научного института Вейцмана наблюдали электроны, текущие в вихрях, или водоворотах — отличительная черта потока жидкости, которую, как предсказывали теоретики, должны демонстрировать электроны, но которую до сих пор никто не видел.
«Электронные вихри ожидаемы в теории, но прямых доказательств не было, а видеть — значит верить», — говорит Леонид Левитов, профессор физики Массачусетского технологического института. «Теперь мы это увидели, и это явный признак того, что мы находимся в новом режиме, где электроны ведут себя как жидкость, а не как отдельные частицы».
Наблюдения, о которых сообщается в журнале Nature, могут помочь в разработке более эффективной электроники.
«Мы знаем, что когда электроны переходят в жидкое состояние, рассеивание энергии падает, и это представляет интерес для разработки маломощной электроники», — говорит Левитов. «Это новое наблюдение — еще один шаг в этом направлении».
Левитов является соавтором новой работы вместе с Эли Зельдовым и другими сотрудниками Научного института Вейцмана в Израиле и Университета Колорадо в Денвере.
Коллективное сжатие
Когда электричество проходит через большинство обычных металлов и полупроводников, на моменты и траектории движения электронов в токе влияют примеси в материале и колебания между атомами материала. Эти процессы доминируют в поведении электронов в обычных материалах.
Но теоретики предсказали, что в отсутствие таких обычных, классических процессов квантовые эффекты должны взять верх. А именно, электроны должны улавливать тонкое квантовое поведение друг друга и двигаться коллективно, как вязкая, похожая на мед электронная жидкость. Такое жидкоподобное поведение должно проявиться в сверхчистых материалах и при температурах, близких к нулю.
В 2017 году Левитов и его коллеги из Манчестерского университета сообщили о признаках подобного поведения электронов в графене — атомарно тонком листе углерода, на котором они вытравили тонкий канал с несколькими точками защемления. Они заметили, что ток, пущенный по каналу, мог проходить через сужения с небольшим сопротивлением. Это позволило предположить, что электроны в токе способны протискиваться через точки защемления коллективно, подобно жидкости, а не забиваться, как отдельные песчинки.
Этот первый признак побудил Левитова изучить другие явления электронной жидкости. В новом исследовании он и его коллеги из Научного института Вейцмана попытались визуализировать электронные вихри. Как они пишут в своей работе, «наиболее яркая и повсеместная особенность течения обычных жидкостей, образование вихрей и турбулентности, еще не наблюдалась в электронных жидкостях, несмотря на многочисленные теоретические предсказания».
Направление потока
Для визуализации электронных вихрей команда обратилась к дителлуриду вольфрама (WTe2), ультрачистому металлическому соединению, которое, как выяснилось, проявляет экзотические электронные свойства, будучи выделенным в двумерную форму толщиной в один атом.
«Дителлурид вольфрама — один из новых квантовых материалов, в котором электроны сильно взаимодействуют и ведут себя как квантовые волны, а не частицы», — говорит Левитов. «Кроме того, материал очень чистый, что делает поведение, подобное жидкости, непосредственно доступным».
Исследователи синтезировали чистые монокристаллы дителлурида вольфрама и отшелушили тонкие чешуйки материала. Затем они использовали методы электронно-лучевой литографии и плазменного травления, чтобы придать каждой чешуйке форму центрального канала, соединенного с круглой камерой с каждой стороны. Они вытравили тот же рисунок на тонких чешуйках золота — стандартного металла с обычными, классическими электронными свойствами.
Затем они пропустили ток через каждый образец при ультранизкой температуре 4,5 кельвинов (около -450 градусов по Фаренгейту) и измерили силу тока в определенных точках каждого образца с помощью наноразмерного сканирующего сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (SQUID) на наконечнике. Это устройство было разработано в лаборатории Зельдова и измеряет магнитные поля с чрезвычайно высокой точностью. Используя прибор для сканирования каждого образца, команда смогла детально проследить, как электроны проходят через узорчатые каналы в каждом материале.
Исследователи заметили, что электроны, проходящие через узорчатые каналы в золотых хлопьях, не меняли направления, даже когда часть тока проходила через каждую боковую камеру, прежде чем соединиться с основным током. Напротив, электроны, проходящие через дителлурид вольфрама, проходили через канал и закручивались в каждой боковой камере, подобно тому, как это делает вода при сливе в чашу. Электроны создавали небольшие водовороты в каждой камере, а затем вытекали обратно в основной канал.
«Мы наблюдали изменение направления потока в камерах, где поток менял направление на противоположное по сравнению с потоком в центральной полосе», — говорит Левитов. «Это очень поразительная вещь, и это та же физика, что и в обычных жидкостях, но происходящая с электронами в наномасштабе. Это явный признак того, что электроны находятся в режиме, подобном жидкости».
Наблюдения группы являются первой прямой визуализацией вихрей в электрическом токе. Полученные результаты представляют собой экспериментальное подтверждение фундаментального свойства поведения электронов. Они также могут дать подсказку инженерам, как разработать маломощные устройства, проводящие электричество более плавно и с меньшим сопротивлением.
Это исследование было частично поддержано Европейским исследовательским советом, Германо-израильским фондом научных исследований и развития, а также Израильским научным фондом.
