首次证实电子涡流行为

物理学家首次亲眼见证了令人难以置信的现象：像流体一样形成漩涡的电子。

这是理论上早有预期，但从未观察到的行为。它可能是开发更高效，更快的下一代电子产品的关键。

“从理论上讲，电子涡流是可以预期的，但没有直接的证据。”MIT的物理学家Leonid Levitov说，“现在我们已经看到了它这个新机制中的明确特征，电子行为如流体，而非离散颗粒。”

虽然如图漩涡流动的电子听起来并不是那么……突破，但它真的很重要，因为像流体一样流动会导致更多的能量传递，而不会在途中丢失——在诸如杂质之类的对象中徘徊或原子材料的振动造成了能量损失。

Levitov说：“我们知道电子何时处于流体状态，[能量]耗散量会下降，这对于设计低功率电子设备很有意义。”

这项工作是MIT，以色列魏兹曼科学学院和科罗拉多大学丹佛分校之间的联合实验。

当然，我们已经知道电子可以互相反弹并在超导体中没有阻力流动，但这是形成了所谓的“库珀电子对Cooper Pairs”，并非电子整体流动的真实例子。

例如，水分子是单个颗粒，但根据流体动力学的原理，它们以整体形式传播。

电流本质上应该能够做到同样的事情，但是电子的任何集体行为通常都被普通金属甚至半导体里的杂质和振动所干扰。

长期以来一直预测，在接近绝对零度下的特殊材料中，干扰应消失，使电子像流体一样移动……但是到目前为止，没有人能够证明。

流体有两个基本特征：线性流和涡流。

Levitov和同事于2017年使用石墨烯观察到了线性流。在碳原子薄片中，研究人员蚀刻出细细的通道和其上的几处紧箍点——理解成瓶颈。如果电子像液体一样，就可以流过瓶颈；若是像颗粒物，如沙子，就会堵在瓶颈处。

Levitov的团队表明，电流可以像液体一样流动，而不是像沙粒一样。

但是没有人看到过电子涡流。研究人员写道：“尽管有许多理论预测，但在电子流体中尚未观察到常规流体流动中最引人注目的特征，即涡流和湍流的形成。”

为了彻底弄清这一点，同一团队采用了一种纯净的单晶材料，称为碲化钨(WTe2)，并切出单原子薄片。

然后，他们将图案蚀刻到一个中央通道中，两侧都有一个圆形腔室，从而为电流而形成“迷宫”。他们用黄金薄片蚀刻出相同的模式，仅是图案不具备碲化钨晶体相同的超清洁特性，充当对照组。

将材料冷却到约-269℃之后，在其中接入电流，并在整个材料中测量了特定点的流动，以绘制电子的流动方式。

在黄金薄片中，即使电流通过每个侧腔，电子也没有改变方向。

相比之下，在碲化钨晶体内部，电子流过通道，然后旋转到每个侧室产生漩涡池，然后再流回主通道，行为就如流体一样。

Levitov说：“我们观察到了腔室中流动方向的变化，与中央条中的流动方向相比，流动方向发生了旋转。这是一件非常引人注目的事情，它与普通流体的物理学相同，但发生在纳米级的电子流上。这是电子处于流体状态的明确标志。”

当然，该实验是在专业材料的超冷温度下进行的，所以离现实应用还很遥远。

但这是“电流涡旋的首次直接可视化”，进一步完善了科学理论，同时揭示了工程学上的潜力。

该研究已发表在Nature上。

https://www.sciencealert.com/after-years-of-searching-physicists-observe-electrons-form-fluid-like-whirlpools

Recommend