Gli elettroni fluiscono attraverso la maggior parte dei materiali più come un gas che come un fluido, nel senso che non interagiscono molto tra loro. È stato a lungo ipotizzato che gli elettroni potessero fluire come un fluido, ma solo i recenti progressi nei materiali e nelle tecniche di misurazione hanno permesso di osservare questi effetti nei materiali 2D. Nel 2020, i laboratori di Amir Yacoby, Professore di Fisica e di Fisica Applicata presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Filippo Kim, Professore di Fisica e Professore di Fisica Applicata ad Harvard e Ronald Walsworth, già del Dipartimento di Fisica di Harvard, sono stati tra i primi a visualizzare gli elettroni che scorrono nel grafene come l'acqua scorre attraverso un tubo.

I risultati hanno fornito una nuova sandbox in cui esplorare le interazioni degli elettroni e offerto un nuovo modo per controllare gli elettroni, ma solo in materiali bidimensionali. L'idrodinamica elettronica nei materiali tridimensionali è rimasta molto più sfuggente a causa di un comportamento fondamentale degli elettroni nei conduttori noto come schermatura. Quando c'è un'alta densità di elettroni in un materiale, come nei metalli conduttori, gli elettroni sono meno inclini ad interagire tra loro.

Ricerche recenti hanno suggerito che il flusso di elettroni idrodinamico nei conduttori 3D fosse possibile, ma esattamente come è successo o come osservarlo è rimasto sconosciuto. Fino ad ora.

Un team di ricercatori di Harvard e del MIT ha sviluppato una teoria per spiegare come potrebbe verificarsi il flusso di elettroni idrodinamici nei materiali 3D e lo ha osservato per la prima volta utilizzando una nuova tecnica di imaging.

La ricerca è pubblicata su Fisica della natura .

"Questa ricerca fornisce una strada promettente per la ricerca di flusso idrodinamico e interazioni di elettroni prominenti in materiali ad alta densità di portanti, "ha detto Prineha Narang, Assistant Professor di Computational Materials Science presso SEAS e autore senior dello studio.

Il flusso di elettroni idrodinamico si basa su forti interazioni tra elettroni, proprio come l'acqua e altri fluidi si basano su forti interazioni tra le loro particelle. Per fluire in modo efficiente, gli elettroni nei materiali ad alta densità si dispongono in modo tale da limitare le interazioni. È lo stesso motivo per cui i balli di gruppo come lo scivolo elettrico non comportano molta interazione tra i ballerini, con così tante persone, è più facile per tutti fare le proprie mosse.

"Ad oggi, gli effetti idrodinamici sono stati per lo più dedotti dalle misurazioni dei trasporti, che mescola efficacemente le firme spaziali, " ha detto Yacoby. "Il nostro lavoro ha tracciato un percorso diverso nell'osservazione di questa danza e nella comprensione dell'idrodinamica nei sistemi oltre il grafene con nuove sonde quantistiche delle correlazioni elettroniche".

I ricercatori hanno proposto che, piuttosto che interazioni dirette, gli elettroni in materiali ad alta densità potrebbero interagire tra loro attraverso le vibrazioni quantistiche del reticolo atomico, conosciuti come fononi.

"Possiamo pensare alle interazioni mediate dai fononi tra gli elettroni immaginando due persone che saltano su un trampolino, che non si spingono l'un l'altro direttamente ma piuttosto tramite la forza elastica delle molle, "ha detto Yaxian Wang, uno studioso post-dottorato nel NarangLab del SEAS e coautore dello studio.

Per osservare questo meccanismo, i ricercatori hanno sviluppato una nuova sonda di scansione criogenica basata sul difetto di disponibilità di azoto nel diamante, che ha ripreso il campo magnetico locale di un flusso di corrente in un materiale chiamato ditelluride di tungsteno semimetallico stratificato.

"Il nostro minuscolo sensore quantistico è sensibile a piccoli cambiamenti nel campo magnetico locale, permettendoci di esplorare direttamente la struttura magnetica in un materiale, " disse Uri Vool, John Harvard illustre ricercatore e co-autore dello studio.

Non solo i ricercatori hanno trovato prove del flusso idrodinamico all'interno del ditelluride di tungsteno tridimensionale, ma hanno anche scoperto che il carattere idrodinamico della corrente dipende fortemente dalla temperatura.

"Il flusso idrodinamico si verifica in un regime ristretto in cui la temperatura non è né troppo alta né troppo bassa, e quindi la capacità unica di eseguire la scansione in un'ampia gamma di temperature è stata fondamentale per vedere l'effetto, "ha detto Assaf Hamo, uno studioso postdottorato presso il laboratorio Yacoby e co-autore principale dello studio.

"La capacità di immaginare e progettare questi flussi idrodinamici in conduttori tridimensionali in funzione della temperatura, apre la possibilità di ottenere un'elettronica quasi priva di dissipazione in dispositivi su scala nanometrica, oltre a fornire nuove informazioni sulla comprensione delle interazioni elettrone-elettrone, " disse Georgios Varnavides, uno studente di dottorato nel NarangLab di SEAS e uno degli autori principali dello studio. "La ricerca apre anche la strada all'esplorazione del comportamento non classico dei fluidi nel flusso di elettroni idrodinamici, come i vortici stazionari".

"Questo è un campo entusiasmante e interdisciplinare che sintetizza concetti dalla materia condensata e dalla scienza dei materiali all'idrodinamica computazionale e alla fisica statistica, " ha detto Narang. In precedenti ricerche, Varnavides e Narang hanno classificato diversi tipi di comportamenti idrodinamici che potrebbero verificarsi nei materiali quantistici in cui gli elettroni fluiscono collettivamente.