Не так обстоит дело с электричеством. Хотя электрический ток также состоит из отдельных частиц - в данном случае электронов, - частицы настолько малы, что любое коллективное поведение между ними заглушается более крупными воздействиями, когда электроны проходят через обычные металлы. Но в определенных материалах и при определенных условиях такие эффекты исчезают, и электроны могут напрямую влиять друг на друга. В этих случаях электроны могут течь коллективно, как жидкость.

Теперь физики из Массачусетского технологического института и Научного института Вейцмана наблюдали, как электроны движутся в вихрях или водоворотах - отличительной черте потока жидкости, которую теоретики предсказывали, что электроны должны проявлять, но до сих пор этого никто не видел.

"Электронные вихри ожидаемы в теории, но прямых доказательств не было, а увидеть - значит поверить", - говорит Леонид Левитов, профессор физики Массачусетского технологического института. "Теперь мы это увидели, и это явный признак пребывания в этом новом режиме, где электроны ведут себя как жидкость, а не как отдельные частицы".

Наблюдения, о которых сообщается в журнале Природа, могли бы послужить основой для разработки более эффективной электроники.

"Мы знаем, что когда электроны переходят в жидкое состояние, диссипация [энергии] падает, и это представляет интерес при разработке маломощной электроники", - говорит Левитов. "Это новое наблюдение - еще один шаг в этом направлении".

Левитов является соавтором новой статьи вместе с Эли Зельдовым и другими сотрудниками Научного института Вейцмана в Израиле и Университета Колорадо в Денвере.

Коллективное сжатие

Когда электричество проходит через большинство обычных металлов и полупроводников, на импульсы и траектории электронов в токе влияют примеси в материале и вибрации между атомами материала. Эти процессы доминируют над поведением электронов в обычных материалах.

Но теоретики предсказали, что в отсутствие таких обычных, классических процессов квантовые эффекты должны взять верх. А именно, электроны должны улавливать тонкое квантовое поведение друг друга и двигаться коллективно, как вязкая, похожая на мед электронная жидкость. Такое жидкоподобное поведение должно проявляться в сверхчистых материалах и при температурах, близких к нулю.

В 2017 году Левитов и его коллеги из Манчестерского университета сообщили о признаках такого флюидоподобного поведения электронов в графене, тонком, как атом, листе углерода, на котором они вытравили тонкий канал с несколькими точками защемления. Они заметили, что ток, посылаемый по каналу, может проходить через сужения с небольшим сопротивлением. Это наводило на мысль, что электроны в токе были способны протискиваться через точки защемления коллективно, подобно жидкости, а не закупориваться, как отдельные песчинки.

Это первое указание побудило Левитова исследовать другие явления электронной жидкости. В новом исследовании он и его коллеги из Научного института Вейцмана попытались визуализировать электронные вихри. Как они пишут в своей статье, "самая поразительная и повсеместная особенность течения обычных жидкостей, образование вихрей и турбулентности, еще не наблюдалась в электронных жидкостях, несмотря на многочисленные теоретические предсказания".

Направляющий поток

Чтобы визуализировать электронные вихри, команда обратилась к дителлуриду вольфрама (WTe2), сверхчистому металлическому соединению, которое, как было обнаружено, проявляет экзотические электронные свойства при выделении в двумерной форме толщиной в один атом.

"Дителлурид вольфрама - один из новых квантовых материалов, в котором электроны сильно взаимодействуют и ведут себя как квантовые волны, а не как частицы", - говорит Левитов. "Кроме того, материал очень чистый, что делает текучее поведение непосредственно доступным".

Исследователи синтезировали чистые монокристаллы дителлурида вольфрама и отшелушили тонкие чешуйки материала. Затем они использовали методы электронно-лучевой литографии и плазменного травления, чтобы сформировать из каждой чешуйки центральный канал, соединенный с круглой камерой с обеих сторон. Они выгравировали тот же узор на тонких чешуйках золота - стандартного металла с обычными, классическими электронными свойствами.

Затем они пропустили ток через каждый образец с рисунком при сверхнизких температурах 4,5 Кельвина (около -450 градусов по Фаренгейту) и измерили протекание тока в определенных точках по всему образцу, используя наноразмерное сканирующее сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство (SQUID) на наконечнике. Это устройство было разработано в лаборатории Зельдова и измеряет магнитные поля с чрезвычайно высокой точностью. Используя устройство для сканирования каждого образца, команда смогла детально наблюдать, как электроны текут по узорным каналам в каждом материале.

Исследователи заметили, что электроны, проходящие по узорным каналам в золотых чешуйках, делали это без изменения направления, даже когда часть тока проходила через каждую боковую камеру, прежде чем снова соединиться с основным током. Напротив, электроны, проходящие через дителлурид вольфрама, проходили по каналу и закручивались в каждую боковую камеру, подобно тому, как это делала бы вода при сливе в чашу. Электроны создавали небольшие водовороты в каждой камере, прежде чем вытекать обратно в основной канал.

"Мы наблюдали изменение направления потока в камерах, где направление потока изменилось на противоположное по сравнению с направлением в центральной полосе", - говорит Левитов. "Это очень поразительная вещь, и это та же физика, что и в обычных жидкостях, но происходит с электронами на наноуровне. Это явный признак того, что электроны находятся в режиме, подобном жидкости".

Наблюдения группы являются первой прямой визуализацией закрученных вихрей в электрическом токе. Полученные результаты представляют собой экспериментальное подтверждение фундаментального свойства поведения электронов. Они также могут дать ключ к пониманию того, как инженеры могли бы проектировать маломощные устройства, которые проводят электричество более плавным и менее резистивным способом.

Это исследование было частично поддержано Европейским исследовательским советом, Немецко-израильским фондом научных исследований и разработок и Израильским научным фондом.