Un team di ricercatori del Boston College ha creato un nuovo esemplare metallico in cui il movimento degli elettroni scorre nello stesso modo in cui l'acqua scorre in un tubo, cambiando radicalmente da una dinamica particellare a una dinamica simile a quella dei fluidi, la squadra riporta in Comunicazioni sulla natura .

Lavorando con i colleghi dell'Università del Texas a Dallas e della Florida State University, Fazel Tafti, assistente professore di fisica del Boston College, ha trovato nel superconduttore metallico, una sintesi di niobio e germanio (NbGe ₂ ), che una forte interazione tra elettroni e fononi altera il trasporto di elettroni dal diffusivo, o simile a una particella, all'idrodinamica, o simile a un fluido, regime.

I risultati segnano la prima scoperta di un liquido elettrone-fonone all'interno di NbGe ₂ , ha detto Tafti.

"Volevamo testare una recente previsione del 'fluido elettrone-fonone', "Tafti ha detto, notando che i fononi sono le vibrazioni di una struttura cristallina. "Tipicamente, gli elettroni sono dispersi dai fononi che portano al solito movimento diffusivo degli elettroni nei metalli. Una nuova teoria mostra che quando gli elettroni interagiscono fortemente con i fononi, formeranno un liquido unito elettrone-fonone. Questo nuovo liquido scorrerà all'interno del metallo esattamente nello stesso modo in cui l'acqua scorre in un tubo".

Confermando le previsioni dei teorici, il fisico sperimentale Tafti, che lavora con il suo collega di Boston College Professor of Physics Kenneth Burch, Luis Balicas della FSU, e Julia Chan di UT-Dallas, afferma che la scoperta stimolerà un'ulteriore esplorazione del materiale e delle sue potenziali applicazioni.

Tafti ha notato che la nostra vita quotidiana dipende dal flusso dell'acqua nei tubi e degli elettroni nei fili. Per quanto simili possano sembrare, i due fenomeni sono fondamentalmente diversi. Le molecole d'acqua scorrono come un continuum fluido, non come singole molecole, obbedire alle leggi dell'idrodinamica. elettroni, però, fluiscono come singole particelle e si diffondono all'interno dei metalli quando vengono dispersi dalle vibrazioni del reticolo.

L'indagine della squadra con contributi significativi dal ricercatore studente laureato Hung-Yu Yang, che ha conseguito il dottorato alla BC nel 2021, focalizzata sulla conduzione di elettricità nel nuovo metallo, NbGe ₂ , ha detto Tafti.

Hanno applicato tre metodi sperimentali:le misurazioni della resistività elettrica hanno mostrato una massa di elettroni superiore al previsto; La diffusione Raman ha mostrato un cambiamento di comportamento nella vibrazione del NbGe ₂ cristallo a causa del flusso speciale di elettroni; e la diffrazione dei raggi X ha rivelato la struttura cristallina del materiale.

Utilizzando una tecnica specifica nota come "oscillazioni quantistiche" per valutare la massa degli elettroni nel materiale, i ricercatori hanno scoperto che la massa di elettroni in tutte le traiettorie era tre volte maggiore del valore previsto, ha detto Tafti, il cui lavoro è sostenuto dalla National Science Foundation.

"Questo è stato davvero sorprendente perché non ci aspettavamo tali 'elettroni pesanti' in un metallo apparentemente semplice, " Tafti ha detto. "Alla fine, abbiamo capito che la forte interazione elettrone-fonone era responsabile del comportamento degli elettroni pesanti. Poiché gli elettroni interagiscono con le vibrazioni del reticolo, o fononi, fortemente, sono "trascinati" dal reticolo e sembra che abbiano guadagnato massa e siano diventati pesanti."

Tafti ha detto che il prossimo passo è trovare altri materiali in questo regime idrodinamico sfruttando le interazioni elettrone-fonone. Il suo team si concentrerà anche sul controllo del fluido idrodinamico degli elettroni in tali materiali e sull'ingegneria di nuovi dispositivi elettronici.