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Sebbene siano particelle discrete, le molecole d'acqua fluiscono collettivamente come liquidi, producendo flussi, onde, vortici e altri classici fenomeni fluidi.
Non così con l'elettricità. Mentre una corrente elettrica è anche un costrutto di particelle distinte - in questo caso, elettroni - le particelle sono così piccole che qualsiasi comportamento collettivo tra di loro è soffocato da influenze più grandi mentre gli elettroni passano attraverso i metalli ordinari. Ma, in determinati materiali e in condizioni specifiche, tali effetti svaniscono e gli elettroni possono influenzarsi direttamente a vicenda. In questi casi, gli elettroni possono fluire collettivamente come un fluido.
Ora, i fisici del MIT e del Weizmann Institute of Science hanno osservato che gli elettroni fluiscono in vortici o vortici, un segno distintivo del flusso di fluido che i teorici prevedevano che gli elettroni dovessero esibire, ma che non è mai stato visto fino ad ora.
"In teoria ci si aspettano vortici di elettroni, ma non ci sono prove dirette e vedere per credere", afferma Leonid Levitov, professore di fisica al MIT. "Ora l'abbiamo visto ed è una chiara firma dell'essere in questo nuovo regime, in cui gli elettroni si comportano come un fluido, non come singole particelle."
Le osservazioni, riportate sulla rivista Nature , potrebbe ispirare la progettazione di un'elettronica più efficiente.
"Sappiamo che quando gli elettroni entrano in uno stato fluido, la dissipazione [di energia] diminuisce, e questo è interessante nel tentativo di progettare elettronica a bassa potenza", afferma Levitov. "Questa nuova osservazione è un altro passo in quella direzione."
Levitov è coautore del nuovo articolo, insieme a Eli Zeldov e altri presso il Weizmann Institute for Science in Israele e l'Università del Colorado a Denver.
Una stretta collettiva
Quando l'elettricità attraversa la maggior parte dei metalli e dei semiconduttori ordinari, la quantità di moto e le traiettorie degli elettroni nella corrente sono influenzate dalle impurità nel materiale e dalle vibrazioni tra gli atomi del materiale. Questi processi dominano il comportamento degli elettroni nei materiali ordinari.
Ma i teorici hanno previsto che in assenza di tali processi ordinari e classici, gli effetti quantistici dovrebbero prendere il sopravvento. Vale a dire, gli elettroni dovrebbero captare il delicato comportamento quantistico dell'altro e muoversi collettivamente, come un fluido di elettroni viscoso, simile al miele. Questo comportamento simile a un liquido dovrebbe emergere in materiali ultrapuliti ea temperature prossime allo zero.
Nel 2017, Levitov e colleghi dell'Università di Manchester hanno riportato le firme di tale comportamento elettronico simile a un fluido nel grafene, un foglio di carbonio sottile come un atomo su cui hanno inciso un canale sottile con diversi punti di presa. Hanno osservato che una corrente inviata attraverso il canale potrebbe fluire attraverso le costrizioni con poca resistenza. Ciò suggeriva che gli elettroni nella corrente fossero in grado di spremere collettivamente attraverso i punti di presa, proprio come un fluido, piuttosto che intasarsi, come i singoli granelli di sabbia.
Questa prima indicazione spinse Levitov a esplorare altri fenomeni del fluido di elettroni. Nel nuovo studio, lui e i colleghi del Weizmann Institute for Science hanno cercato di visualizzare i vortici di elettroni. Come scrivono nel loro articolo, "la caratteristica più sorprendente e onnipresente nel flusso di fluidi regolari, la formazione di vortici e turbolenze, non è stata ancora osservata nei fluidi di elettroni nonostante numerose previsioni teoriche".
Flusso di canalizzazione
Per visualizzare i vortici di elettroni, il team ha cercato il ditelluride di tungsteno (WTe2), un composto metallico ultrapulito che ha dimostrato di esibire proprietà elettroniche esotiche quando isolato in una forma bidimensionale sottile come un singolo atomo.
"Il ditelluride di tungsteno è uno dei nuovi materiali quantistici in cui gli elettroni interagiscono fortemente e si comportano come onde quantistiche piuttosto che come particelle", afferma Levitov. "Inoltre, il materiale è molto pulito, il che rende direttamente accessibile il comportamento fluido".
I ricercatori hanno sintetizzato cristalli singoli puri di ditelluride di tungsteno ed esfoliato sottili scaglie del materiale. Hanno quindi utilizzato la litografia a fascio elettronico e le tecniche di incisione al plasma per modellare ciascun fiocco in un canale centrale collegato a una camera circolare su entrambi i lati. Hanno inciso lo stesso motivo in sottili scaglie d'oro, un metallo standard con proprietà elettroniche classiche e ordinarie.
Hanno quindi eseguito una corrente attraverso ciascun campione modellato a temperature ultrabasse di 4,5 kelvin (circa -450 gradi Fahrenheit) e hanno misurato il flusso di corrente in punti specifici in ogni campione, utilizzando un dispositivo di interferenza quantistica superconduttore a scansione su scala nanometrica (SQUID) su una punta. Questo dispositivo è stato sviluppato nel laboratorio di Zeldov e misura i campi magnetici con una precisione estremamente elevata. Utilizzando il dispositivo per scansionare ogni campione, il team è stato in grado di osservare in dettaglio come gli elettroni fluivano attraverso i canali modellati in ciascun materiale.
I ricercatori hanno osservato che gli elettroni che scorrevano attraverso canali modellati in scaglie d'oro lo facevano senza invertire la direzione, anche quando parte della corrente passava attraverso ciascuna camera laterale prima di ricongiungersi con la corrente principale. Al contrario, gli elettroni che fluiscono attraverso il ditelluride di tungsteno fluivano attraverso il canale e vorticavano in ciascuna camera laterale, proprio come farebbe l'acqua quando si svuota in una ciotola. Gli elettroni hanno creato piccoli vortici in ciascuna camera prima di rifluire nel canale principale.
"Abbiamo osservato un cambiamento nella direzione del flusso nelle camere, dove la direzione del flusso ha invertito la direzione rispetto a quella nella striscia centrale", afferma Levitov. "Questa è una cosa molto sorprendente, ed è la stessa fisica di quella dei fluidi ordinari, ma accade con gli elettroni su scala nanometrica. Questa è una chiara caratteristica del fatto che gli elettroni si trovano in un regime simile a un fluido".
Le osservazioni del gruppo sono la prima visualizzazione diretta di vortici vorticosi in una corrente elettrica. I risultati rappresentano una conferma sperimentale di una proprietà fondamentale nel comportamento degli elettroni. Possono anche offrire indizi su come gli ingegneri potrebbero progettare dispositivi a bassa potenza che conducono l'elettricità in modo più fluido e meno resistivo. + Esplora ulteriormente
