Это явление было предсказано теорией уже очень давно. Теперь впервые ученые из Научного института Вейцмана и Массачусетского технологического института предоставили экспериментальное доказательство его существования: они наблюдали образование электронных вихрей, которое является характерной особенностью жидкостей. Это открытие может привести к разработке нового поколения электроники с низким энергопотреблением.
Молекулы воды могут течь коллективно, образуя течения, волны и вихри, или любое другое поведение жидкости. Как и вода, электричество состоит из дискретных частиц (электронов), поэтому можно ожидать, что оно будет вести себя так же как жидкость. Однако электроны намного меньше молекул воды и, как таковые, больше подвержены влиянию окружающей среды (металла, через который они проходят), чем их собратья - поэтому они не могут вести себя коллективно.
Однако теория предсказывает, что при определенных условиях - при чрезвычайно низких температурах, близких к абсолютному нулю, и в чистых, бездефектных материалах - движение электронов направляется квантовыми эффектами. Тогда они могли бы течь как жидкость, не оказывая никакого сопротивления. Используя это явление, можно было бы разработать более эффективные электронные устройства. Но до сих пор не было никаких прямых доказательств такого поведения. Однако "видеть - значит верить", — напоминает Леонид Левитов, профессор физики Массачусетского технологического института.
Электроны с экстремальной проводимостью
В новом исследовании группа ученых из Научного института Вейцмана и Массачусетского технологического института сообщает, что впервые наблюдала электроны, циркулирующие в виде вихрей в кристаллах дителлурида вольфрама. Такие структуры часто встречаются в жидкостях, но электроны обычно не могут их создавать.
Когда электроны проходят через большинство обычных металлов и полупроводников, на их моменты и траектории влияют примеси в материале и колебания между атомами, составляющими материал. Эти процессы определяют их поведение. Но в их отсутствие квантовые эффекты теоретически берут верх: электроны больше не ведут себя как отдельные частицы, а "подхватывают" квантовое поведение своих собратьев, чтобы двигаться вместе. Таким образом, они образуют вязкую электронную жидкость.
Несколько лет назад Левитов и его коллеги из Манчестерского университета сообщили о первых доказательствах жидкоподобного поведения электронов в графене - листе углерода толщиной в атом. В этом эксперименте они вытравили тонкий канал с несколькими узкими местами, через которые пропускали ток. Затем они измерили падение электрического потенциала в каждом узком месте, чтобы оценить скорость потока: они обнаружили, что электронная проводимость превысила максимально возможную проводимость для свободных электронов, известную как баллистический предел Ландауэра.
Другими словами, они доказали, что электроны способны течь коллективно, как жидкость, а не скапливаться вокруг сужения, как отдельные песчинки. Вооружившись этим первым результатом, ученые захотели пойти дальше и попытаться наблюдать электронные вихри - которые, по их мнению, являются наиболее яркой и вездесущей особенностью регулярного потока жидкости.
Новый механизм гидродинамического потока
Для этого они использовали дителлурид вольфрама (WTe2), сверхчистое соединение металла, которое проявляет особые свойства в двумерной форме (слой 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", — сказал Левитов.
Они изготовили тонкие чешуйки из этого материала, а затем вытравили в нем узкий канал, соединенный с круглыми камерами по обе стороны. Для сравнения, таким же образом они вытравили тонкие чешуйки золота - металла с обычными электронными свойствами. Затем они пропустили через канал ток при сверхнизкой температуре (-268,6 °C) и измерили поток электронов в определенных точках.
Команда обнаружила, что в золоте электроны всегда текут в одном направлении, даже если они распределяются по камерам, прежде чем вернуться в центральный канал. Напротив, в дителлуриде вольфрама электроны создавали небольшие вихри в кольцевых камерах, меняя направление, прежде чем вернуться в основной канал. "Направление потока изменилось по сравнению с центральной полосой. [Это та же физика, что и в обычных жидкостях, но происходит с электронами в нанометрическом масштабе]", — объясняет физик.
Таким образом, исследователи получили четкий признак того, что электроны стали вести себя подобно жидкости. Эти результаты предполагают новый гидродинамический механизм течения в тонких чистых кристаллах и открывают новые возможности для изучения и использования электронной флюидики в высокоподвижных электронных системах, пишет команда в журнале . Ведь в жидком состоянии рассеивание энергии уменьшается, что особенно интересно для разработки электронных устройств с низким энергопотреблением. "Это новое наблюдение - еще один шаг в этом направлении", — заключает Левитов.