بعد سنوات من البحث ، يلاحظ الفيزيائيون تدفق الإلكترونات في دوامات تشبه السوائل

(دافيدف / جيتي إيماجيس)

لأول مرة ، شهد الفيزيائيون شيئًا مثيرًا بشكل لا يصدق: تشكل الإلكترونات دوامات مثل السوائل تمامًا.

هذا السلوك تنبأ به العلماء منذ فترة طويلة ، لكنهم لم يلاحظوه من قبل. ويمكن أن يكون المفتاح لتطوير إلكترونيات من الجيل التالي أكثر كفاءة وأسرع.

'الدوامات الإلكترونية متوقعة نظريًا ، لكن لا يوجد دليل مباشر ، والرؤية أمر مؤمن'يقول أحد الباحثين وراء الدراسة الجديدة ،الفيزيائي ليونيد ليفيتوف من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

لقد رأينا ذلك الآن ، وهو دليل واضح على التواجد في هذا النظام الجديد ، حيث تتصرف الإلكترونات كسائل ، وليس كجسيمات فردية.

على الرغم من أن تدفق الإلكترونات في دوامة قد لا يبدو أمرًا رائدًا ، إلا أن هذه مشكلة كبيرة لأن التدفق مثل السائل يؤدي إلى توصيل المزيد من الطاقة إلى نقطة النهاية ، بدلاً من فقدانها في الطريق بينما تتدافع الإلكترونات حول أشياء مثل الشوائب في المواد أو الاهتزازات في الذرات.

'نحن نعلم عندما تتحرك الإلكترونات في حالة سائلة ، ينخفض ​​تبديد [الطاقة] ، وهذا أمر مهم في محاولة تصميم إلكترونيات منخفضة الطاقة ،'يقول ليفيتوف. 'هذه الملاحظة الجديدة هي خطوة أخرى في هذا الاتجاه.'

كان العمل تجربة مشتركة بين معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد وايزمان للعلوم في إسرائيل وجامعة كولورادو في دنفر.

بالطبع ، نحن نعلم بالفعل أن الإلكترونات يمكن أن ترتد عن بعضها البعض وتتدفق دون مقاومةالموصلات الفائقة، ولكن هذه نتيجة تكوين شيء يعرف باسم ' أزواج كوبر ، وليس مثالًا حقيقيًا على تدفق الإلكترونات بشكل جماعي مثل السوائل.

خذ الماء على سبيل المثال. جزيئات الماء عبارة عن جزيئات فردية ، لكنها تسافر كواحدة وفقًا لمبادئ ديناميكيات السوائل ، وتحمل بعضها البعض عبر السطح ، وتشكل التيارات والدوامات أثناء انتقالها.

يجب أن يكون التيار الكهربائي قادرًا بشكل أساسي على فعل الشيء نفسه ، ولكن عادةً ما يتم تجاوز أي سلوك جماعي للإلكترونات بواسطة الشوائب والاهتزازات في المعادن العادية وحتى أشباه الموصلات. تدق هذه 'المشتتات' الإلكترونات أثناء انتقالها وتمنعها من إظهار سلوك يشبه السوائل.

لقد تم التنبؤ منذ فترة طويلة أنه داخل المواد الخاصة عند درجات حرارة قريبة من الصفر ، يجب أن تختفي هذه التداخلات للسماح للإلكترونات بالتحرك مثل السوائل ... ولكن المشكلة لم يكن أحد قادرًا على إثبات ذلك ، حتى الآن.

هناك سمتان أساسيتان للسائل: التدفق الخطي ، حيث تتدفق جميع الجسيمات المنفصلة على التوازي كواحد ؛ وتشكل الدوامات والدوامات.

تمت ملاحظة الأولى من قبل ليفيتوف وزملاؤه في جامعة مانشستر في عام 2017باستخدام الجرافين. في صفائح الكربون الرقيقة للذرة ، أظهر ليفيتوف وفريقه أن تيارًا كهربائيًا يمكن أن يتدفق عبر نقطة ضغط مثل السائل ، وليس مثل حبيبات الرمل.

لكن لم يرَ أحد الميزة الثانية. 'السمة الأكثر لفتًا للنظر والأكثر انتشارًا في تدفق السوائل العادية ، وهي تكوين الدوامات والاضطرابات ، لم يتم ملاحظتها بعد في موائع الإلكترون على الرغم من التنبؤات النظرية العديدة ،' يكتب الباحثون .

لمعرفة ذلك ، أخذ الفريق بلورات نقية مفردة من مادة فائقة النظافة تعرف باسم التنغستن ديتلوريد (WTeاثنين) ومقطعة إلى شرائح رقيقة من ذرة واحدة.

ثم قاموا بحفر نمط في قناة مركزية بغرفة دائرية على كلا الجانبين ، مما خلق 'متاهة' لتيار كهربائي يمر خلالها. لقد حفروا نفس النمط على رقائق من الذهب ، والتي لا تحتوي على نفس الخصائص فائقة النظافة مثل التنغستن دايتلوريد وبالتالي عملت كعنصر تحكم.

(أهارون شتاينبرغ وآخرون ، طبيعة سجية ، 2022)

أعلاه: يوضح الرسم البياني الموجود على اليسار كيفية تدفق الإلكترونات في التجربة في رقائق الذهب (Au). تُظهر الصورة على اليمين محاكاة لكيفية توقعهم لسلوك الإلكترونات الشبيهة بالسوائل.

بعد تبريد المادة إلى حوالي -269 درجة مئوية (4.5 كلفن أو -451.57 فهرنهايت) قاموا بتشغيل تيار كهربائي خلالها وقياس التدفق في نقاط محددة في جميع أنحاء المادة ، لرسم خريطة لكيفية تدفق الإلكترونات.

في رقائق الذهب ، تتدفق الإلكترونات عبر المتاهة دون تغيير الاتجاه ، حتى عندما يمر التيار عبر كل غرفة جانبية قبل أن يعود إلى التيار الرئيسي.

في المقابل ، داخل ditelluride التنجستن ، تتدفق الإلكترونات عبر القناة ثم تدور في كل غرفة جانبية مكونة دوامات ، قبل أن تتدفق مرة أخرى إلى القناة الرئيسية - مثلما تتوقع أن يفعل السائل.

'لاحظنا تغيرًا في اتجاه التدفق في الغرف ، حيث عكس اتجاه التدفق الاتجاه مقارنةً بالاتجاه في الشريط المركزي ،' يقول ليفيتوف .

هذا شيء مذهل للغاية ، وهو نفس الفيزياء الموجودة في السوائل العادية ، ولكنه يحدث مع الإلكترونات على نطاق نانوي. هذا دليل واضح على وجود الإلكترونات في نظام يشبه السوائل.

(أهارون شتاينبرغ وآخرون ، طبيعة سجية ، 2022)

في الأعلى: يُظهر العمود الموجود على اليسار كيف تتدفق الإلكترونات من خلال ditelluride التنجستن (WTeاثنين) مقارنة بالمحاكاة الهيدروديناميكية في اليسار عمودي.

بالطبع ، تم إجراء هذه التجربة في درجات حرارة شديدة البرودة باستخدام مادة متخصصة - لن يحدث هذا في أدوات منزلك في أي وقت قريب. كانت هناك أيضًا قيود على حجم الغرف والقناة الوسطى.

ولكن هذا هو 'أول تصور مباشر للدوامات الدوامة في تيار كهربائي' مثل بيان صحفي يوضح . ليس هذا فقط تأكيدا على أن الإلكترونات يستطيع التصرف كسائل ، يمكن أن يساعد التقدم أيضًا المهندسين على فهم أفضل لكيفية تسخير هذه الإمكانات في أجهزتهم.

تم نشر البحث في طبيعة سجية .

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.