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物理学家首次看到电子漩涡 精选

已有 5788 次阅读 2022-7-8 16:15 |个人分类:新观察|系统分类:博客资讯

物理学家首次看到电子漩涡

诸平

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Credit: Pixabay/CC0 Public Domain

https://phys.org/news/2022-07-physicists-electron-whirlpools.html

据美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology简称MIT202276日提供的消息,物理学家首次看到电子漩涡(Physicists see electron whirlpools for the first time)。尽管它们是离散的粒子,水分子以液体的形式集体流动,产生流、波、漩涡和其他经典流体现象。

电不是这样的。在这种情况下,电流也是由不同粒子构成的,但电子(electrons)粒子非常小,当电子通过普通金属时,粒子之间的任何集体行为(collective behavior)都会被更大的影响所淹没。但是,在某些材料和特定条件下,这种效应会逐渐消失,电子会直接相互影响。在这些情况下,电子可以像流体一样集体流动。

现在,麻省理工学院(MIT)和以色列魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel)的物理学家已经观察到电子以漩涡(vortices, or whirlpools)的形式流动,这是理论家预测电子应该表现出来的流体流动的一个特征,但直到现在还从未见过。

MIT的物理教授列奥尼德·莱维托夫(Leonid Levitov)表示:“理论上预计会出现电子漩涡,但没有直接的证据,眼见为实。现在我们已经看到了,这是处于这种新状态的一个明显标志,在这种状态下,电子表现为流体,而不是单个粒子。”相关研究结果于202276日已经在《自然》(Nature)杂志网站发表——A. Aharon-SteinbergT. VölklA. KaplanA. K. PariariI. RoyT. HolderY. WolfA. Y. MeltzerY. MyasoedovM. E. HuberB. YanG. FalkovichL. S. LevitovM. HückerEli Zeldov. Direct observation of vortices in an electron fluid. Nature, 2022, 607: 74–80. Published: 06 July 2022DOI: 10.1038/s41586-022-04794-yhttps://www.nature.com/articles/s41586-022-04794-y

参与此项研究的除了来自MIT和以色列魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science简称WIS)的研究人员之外,还有来自美国科罗拉多大学丹佛分校(University of Colorado Denver, CO, USA)的研究人员。

此文中报道的这些观察结果,可以为设计更高效的电子产品提供信息。列奥尼德·莱维托夫说:“我们知道当电子处于流体状态时,[能量]耗散会下降,这对设计低功耗电子器件很有意义。这一新发现是朝着这一方向迈出的又一步。”

一种集体紧缩(A collective squeeze

当电流流经大多数普通金属和半导体时,电流中电子的动量和轨迹受到材料中杂质和材料原子间振动的影响。这些过程控制着普通材料中的电子行为。

但理论家们预测,在没有这种普通的经典过程的情况下,量子效应(quantum effects)应该占据主导地位。也就是说,电子应该能够捕捉到彼此微妙的量子行为,并作为粘稠的蜂蜜状电子流体集体运动。这种类似液体的行为应该出现在超清洁材料和接近零的温度下。

2017年,列奥尼德·莱维托夫和曼彻斯特大学的同事报告了石墨烯中类似流体的电子行为(fluid-like electron behavior in graphene)的特征,石墨烯是一种原子薄碳片,他们在石墨烯上蚀刻了一个带有几个夹点的薄通道。他们观察到,通过通道发送的电流可以在几乎没有阻力的情况下通过收缩。这表明电流中的电子能够像流体一样集体挤过收缩点,而不是像单个沙粒一样堵塞。

这第一个迹象促使列奥尼德·莱维托夫探索其他电子流体现象。在这项新的研究中,他和魏茨曼科学研究所的同事试图将电子漩涡可视化。正如他们在论文中所写,“尽管有许多理论预测,但在电子流体中尚未观察到规则流体流动中最显著和普遍存在的特征,即漩涡和湍流的形成。”

沟道流(Channeling flow

为了观察电子漩涡,研究小组研究了二碲化钨(WTe2),这是一种超清洁的金属化合物,当以单原子薄的二维形式隔离时,会表现出奇异的电子特性。

列奥尼德·莱维托夫说:“二碲化钨是一种新的量子材料,其中电子相互作用强烈,表现为量子波而非粒子。此外,这种材料非常干净,可以直接接触到流体状的行为。”

研究人员合成了纯的二碲化钨单晶,并剥落了这种材料的薄片。然后,他们使用电子束光刻和等离子蚀刻技术将每个薄片形成一个中心通道,该通道连接到两侧的圆形腔室。他们将相同的图案蚀刻成薄片状的金——一种具有普通、经典电子特性的标准金属。

然后,他们在4.5 K(约-450 F)的超低温下通过每个图案样品运行电流,并使用尖端的纳米级扫描超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device简称SQUID)测量每个样品特定点的电流。该装置是在伊莱·泽尔多夫(Eli Zeldov)的实验室开发的,能够以极高的精度测量磁场。使用该设备扫描每个样品,研究小组能够详细观察电子如何流过每种材料中的图案通道。

研究人员观察到,即使一些电流在与主电流连接之前通过每侧腔室,流过金片中图案通道的电子也不会反转方向。相比之下,流过二碲化钨的电子流过通道并旋转进入每个侧室,就像水倒进碗中一样。在流回主通道之前,电子在每个腔室中形成小漩涡。

列奥尼德·莱维托夫说:“我们观察到腔室中的流动方向( flow direction)发生了变化,与中心地带的流动方向相比,腔室中的流动方向发生了逆转。这是一件非常引人注目的事情,它的物理性质与普通流体中的物理性质相同,但发生在纳米尺度上的电子。这是电子处于类流体状态的明显特征。”

该小组的观察是首次直接观察到电流(electric current)中的漩涡。这些发现在实验上证实了电子行为的一个基本性质。它们还可以为工程师如何设计低功率设备提供线索,使其以更易流动(more fluid)、电阻更小的方式导电。

本研究得到欧洲研究理事会(European Research Council简称ERC)欧盟“地平线2020研究与创新计划”(European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programmegrant no. 785971)、德国以色列科学研究与发展基金会{German–Israeli Foundation for Scientific Research and Development (GIF; grant no. I-1505-303.10/2019) }和以色列科学基金会{ Israel Science Foundation (ISF; grant no. 994/19}的资助。也得到以色列WIS科学卓越中心(Scientific Excellence Center at WIS)、西蒙斯基金会(Simons Foundation: grant no. 662962)、欧盟地平线2020计划(EU Horizon 2020 programme: grant no. 873028)、美国以色列两国科学基金会(US–Israel Binational Science Foundation: BSF; grant no. 2018033)NSF BSF(NSF–BSF: grant no. 2020765)的资助。安德烈·德洛罗科学研究奖(Andre Deloro Prize for Scientific Research)的支持、以及以色列高等教育委员会(Council for Higher Education, Israel,)的博士后奖学金的支持等。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

三维材料中流体动力电子流的初步研究(First glimpse of hydrodynamic electron flow in 3D materials

Abstract

Vortices are the hallmarks of hydrodynamic flow. Strongly interacting electrons in ultrapure conductors can display signatures of hydrodynamic behaviour, including negative non-local resistance1,2,3,4, higher-than-ballistic conduction5,6,7, Poiseuille flow in narrow channels8,9,10 and violation of the Wiedemann–Franz law11. Here we provide a visualization of whirlpools in an electron fluid. By using a nanoscale scanning superconducting quantum interference device on a tip12, we image the current distribution in a circular chamber connected through a small aperture to a current-carrying strip in the high-purity type II Weyl semimetal WTe2. In this geometry, the Gurzhi momentum diffusion length and the size of the aperture determine the vortex stability phase diagram. We find that vortices are present for only small apertures, whereas the flow is laminar (non-vortical) for larger apertures. Near the vortical-to-laminar transition, we observe the single vortex in the chamber splitting into two vortices; this behaviour is expected only in the hydrodynamic regime and is not anticipated for ballistic transport. These findings suggest a new mechanism of hydrodynamic flow in thin pure crystals such that the spatial diffusion of electron momenta is enabled by small-angle scattering at the surfaces instead of the routinely invoked electron–electron scattering, which becomes extremely weak at low temperatures. This surface-induced para-hydrodynamics, which mimics many aspects of conventional hydrodynamics including vortices, opens new possibilities for exploring and using electron fluidics in high-mobility electron systems.




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