Sono stati osservati per la prima volta i “vortici elettronici”.

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Questo fenomeno è stato teoricamente previsto per molto tempo. Per la prima volta, gli scienziati del Weizmann Institute of Science e del Massachusetts Institute of Technology forniscono prove sperimentali della sua esistenza: hanno assistito alla formazione di vortici daElettroni, che è un comportamento caratteristico dei liquidi. Questa scoperta potrebbe portare allo sviluppo della prossima generazione di elettronica a bassa potenza.

Le molecole d’acqua possono fluire collettivamente, creando flussi, onde, vortici o qualsiasi altro comportamento fluido. Come l’acqua, l’elettricità è composta da particelle discrete (elettroni); Quindi possiamo aspettarci che si comporti allo stesso modo, cioè come i liquidi. Tuttavia, gli elettroni sono molto più piccoli delle molecole d’acqua, quindi sono più influenzati dal loro ambiente (il metallo che attraversano) rispetto alle loro controparti, quindi non possono agire collettivamente.

La teoria prevede, tuttavia, che in determinate condizioni – a temperature estremamente basse, prossime allo zero assoluto e in materiali puri e impeccabili – il movimento degli elettroni sia guidato da effetti quantistici. Da allora, può fluire come un fluido, senza esercitare alcuna resistenza. Sfruttando questo fenomeno sarà possibile progettare dispositivi elettronici più efficienti. Ma finora, non ci sono state prove dirette di questo particolare comportamento. È andato, ” vedere per credere “,” Ricorda Leonid LevitovProfessore di Fisica al Massachusetts Institute of Technology.

Elettroni altamente conduttivi

In un nuovo studio, un team di ricercatori del Weizmann Institute of Science e del Massachusetts Institute of Technology riferiscono di aver osservato per la prima volta elettroni che ruotano in vortici, all’interno di cristalli di dietiloruro di tungsteno. Queste strutture sono comuni nei liquidi, ma generalmente gli elettroni non possono produrle.

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Quando gli elettroni passano attraverso la maggior parte dei metalli e dei semiconduttori ordinari, i loro momenti e le loro traiettorie sono influenzati dalle impurità nel materiale e dalle vibrazioni tra gli atomi che lo compongono. Questi processi indirizzano il loro comportamento. Ma in loro assenza predominano teoricamente gli effetti quantistici: gli elettroni non si comportano più come singole particelle, ma riescono a “catturare” il comportamento quantistico dei loro congeneri per muoversi insieme. Quindi forma un liquido viscoso.

Alcuni anni fa, hanno riferito Levitov e colleghi dell’Università di Manchester Prime prove di comportamento fluido-simile Elettroni nel grafene: un foglio di carbonio spesso un atomo. In questo esperimento, hanno perforato un canale sottile con diverse strozzature, attraverso le quali hanno fatto passare una corrente. Quindi hanno misurato la caduta di tensione a ciascuna valvola a farfalla, per misurare il flusso: hanno scoperto che la conduzione degli elettroni superava la massima conduzione possibile di elettroni liberi, nota come limite balistico di Landauer.

In altre parole, hanno dimostrato che gli elettroni erano in grado di fluire collettivamente, come un liquido, piuttosto che raggrupparsi attorno alla costrizione, come singoli granelli di sabbia. Basandosi sulla forza di questo primo risultato, gli scienziati hanno voluto andare ancora oltre e provare a osservare i vortici elettronici, che considerano la proprietà più sorprendente e diffusa dei flussi di fluido ordinari.

Nuovo meccanismo di flusso idrodinamico

Per fare ciò, hanno utilizzato il ditelluride di tungsteno (WTe2), un composto metallico estremamente puro, che mostra proprietà speciali nella sua forma bidimensionale (uno strato spesso un atomo). ” Il ditelluride di tungsteno è uno dei nuovi materiali quantistici in cui gli elettroni interagiscono vigorosamente e si comportano come onde quantistiche piuttosto che come particelle. disse Levitov.

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Nella maggior parte dei materiali come l’oro (a sinistra), gli elettroni fluiscono sempre nella stessa direzione (la direzione del campo elettrico). In un dicloruro di tungsteno bidimensionale (a destra), le particelle possono invertire la direzione e ruotare come un liquido. © A. Aharon-Steinberg et al.

Hanno prodotto sottili cialde di questo materiale e quindi hanno perforato uno stretto canale al loro interno, collegato da camere circolari su entrambi i lati. Per fare un confronto, hanno anche inciso scaglie d’oro, un metallo con normali proprietà elettroniche. Hanno quindi fatto passare una corrente attraverso il canale, a temperature estremamente basse (-268,6 °C), e quindi hanno misurato il flusso di elettroni in punti specifici.

Il team ha scoperto che nell’oro gli elettroni fluiscono sempre nella stessa direzione, anche se si propagano attraverso le camere prima di tornare al canale centrale. Al contrario, nel ditelluride di tungsteno, gli elettroni formavano piccoli vortici nelle camere circolari, invertendo la loro direzione, prima di tornare al canale principale. ” Invertire la direzione del flusso rispetto alla direzione della fascia centrale. […] È la stessa della fisica dei fluidi ordinari, ma succede con i nanoelettroni. spiega il fisico.

Quindi i ricercatori hanno ottenuto una chiara firma che gli elettroni avevano adottato un comportamento simile a un fluido. Questi risultati indicano un nuovo meccanismo di flusso idrodinamico in cristalli puri sottili e aprono nuove possibilità per l’esplorazione e l’uso di e-fluidi nei sistemi elettronici ad alta mobilità, scrive il team in temperare la natura. Nel caso dei liquidi, infatti, diminuisce la dissipazione di potenza, cosa particolarmente interessante per lo sviluppo di dispositivi elettronici a bassa potenza. ” Questa nuova osservazione è un altro passo in quella direzione. conclude Levitov.

fonte : A. Aharon-Steinberg et al., Natura

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