Marie Leroy Bien qu’il s’agisse de particules discrètes, les molécules d’eau s’écoulent collectivement sous forme de liquides, produisant des courants, des vagues, des tourbillons et d’autres phénomènes fluides classiques.
Ce n’est pas le cas avec l’électricité. Alors qu’un courant électrique est également une design de particules distinctes – dans ce cas, des électrons – les particules sont si petites que tout comportement collectif entre elles est noyé par des influences in addition importantes lorsque les électrons traversent les métaux ordinaires. Mais, dans certains matériaux et dans des conditions spécifiques, ces effets s’estompent et les électrons peuvent s’influencer directement les uns les autres. Dans ces cas, les électrons peuvent circuler collectivement comme un fluide.
Aujourd’hui, des physiciens du MIT et de l’Institut Weizmann des sciences ont observé des électrons circulant dans des vortex ou des tourbillons – une caractéristique de l’écoulement de fluide que les théoriciens avaient prédit que les électrons devraient présenter, mais qui n’a jamais été vue jusqu’à présent.
“Les vortex d’électrons sont attendus en théorie, mais il n’y a pas eu de preuve directe, et voir c’est croire”, déclare Leonid Levitov, professeur de physique au MIT. “Maintenant, nous l’avons vu, et c’est une signature claire d’être dans ce nouveau régime, où les électrons se comportent comme un fluide, et non comme des particules individuelles.”
Les observations. pourraient éclairer la conception d’électronique as well as efficace.
“Nous savons quand les électrons entrent dans un état fluide, la dissipation chute, et c’est intéressant pour essayer de concevoir de l’électronique de faible puissance », déclare Levitov. « Cette nouvelle observation est un autre pas dans cette way.
Levitov est co-auteur du nouvel write-up, avec Eli Zeldov et d’autres à l’Institut Weizmann pour les sciences en Israël et à l’Université du Colorado à Denver.
Une pression collective
Lorsque l’électricité traverse la plupart des métaux et semi-conducteurs ordinaires, les impulsions et les trajectoires des électrons dans le courant sont influencées par les impuretés du matériau et les vibrations entre les atomes du matériau. Ces processus dominent le comportement des électrons dans les matériaux ordinaires.
Mais les théoriciens ont prédit qu’en l’absence de tels processus ordinaires et classiques, les effets quantiques devraient prendre le dessus. À savoir. sous la forme d’un fluide électronique visqueux, semblable à du miel.
En 2017. une feuille de carbone mince comme un atome sur laquelle ils ont gravé un canal mince avec plusieurs points de pincement. Ils ont observé qu’un courant envoyé à travers le canal pouvait traverser les étranglements avec peu de résistance. un peu comme un fluide, plutôt que de se boucher, comme des grains de sable individuels.
Cette première indication a incité Levitov à explorer d’autres phénomènes de fluide électronique. Dans la nouvelle étude, lui et ses collègues de l’Institut Weizmann pour la science ont cherché à visualiser les tourbillons d’électrons. Comme ils l’écrivent dans leur short article. la formation de tourbillons et de turbulences, n’a pas encore été observée dans les fluides électroniques malgré de nombreuses prédictions théoriques”.
Flux de canalisation
Pour visualiser les tourbillons d’électrons, l’équipe s’est penchée sur le ditellurure de tungstène (WTe2).
“Le ditellurure de tungstène est l’un des nouveaux matériaux quantiques où les électrons interagissent fortement et se comportent comme des ondes quantiques plutôt que comme des particules”, explique Levitov. “De plus, le matériau est très propre, ce qui rend le comportement fluide directement accessible.”
Les chercheurs ont synthétisé des monocristaux purs de ditellurure de tungstène et exfolié de minces flocons du matériau. Ils ont gravé le même motif sur de minces flocons d’or – un métal typical aux propriétés électroniques ordinaires et classiques.
Ils ont ensuite fait passer un courant à travers chaque échantillon à motifs à des températures ultra basses de 4,5 kelvins (environ -450 degrés Fahrenheit) et ont mesuré le flux de courant à des details spécifiques dans chaque échantillon, à l’aide d’un dispositif d’interférence quantique supraconducteur à balayage à l’échelle nanométrique (SQUID) sur une pointe. l’équipe a pu observer en détail comment les électrons circulaient à travers les canaux à motifs de chaque matériau.
Les chercheurs ont observé que les électrons circulant à travers des canaux à motifs dans les flocons d’or le faisaient sans inverser la direction, même lorsqu’une partie du courant traversait chaque chambre latérale avant de rejoindre le courant principal. En revanche, les électrons circulant à travers le ditellurure de tungstène traversaient le canal et tourbillonnaient dans chaque chambre latérale, tout comme l’eau le ferait en se vidant dans un bol. Les électrons ont créé de petits tourbillons dans chaque chambre avant de refluer dans le canal principal.
“Nous avons observé un changement dans la direction de l’écoulement dans les chambres. explique Levitov. et c’est la même physique que celle des fluides ordinaires, mais qui se produit avec des électrons à l’échelle nanométrique. C’est une signature claire des électrons se trouvant dans un régime de style fluide.”
Les observations du groupe sont la première visualisation directe de tourbillons tourbillonnants dans un courant électrique. Les résultats représentent une affirmation expérimentale d’une propriété fondamentale dans le comportement des électrons. Ils peuvent également offrir des indices sur la façon dont les ingénieurs pourraient concevoir des dispositifs de faible puissance qui conduisent l’électricité de manière additionally fluide et moins résistive.
Cette recherche a été financée, en partie, par le Conseil européen de la recherche, la Fondation germano-israélienne pour la recherche scientifique et le développement et par la Fondation israélienne des sciences.
