แม้ว่าจะเป็นอนุภาคที่ไม่ต่อเนื่องกัน แต่โมเลกุลของน้ำจะไหลรวมกันเป็นของเหลว ทำให้เกิดกระแสน้ำ คลื่น น้ำวน และปรากฏการณ์ของไหลแบบคลาสสิกอื่นๆ
ไม่เช่นนั้นด้วยไฟฟ้า ในขณะที่กระแสไฟฟ้าเป็นโครงสร้างของอนุภาคที่แตกต่างกัน ในกรณีนี้ อิเล็กตรอน อนุภาคมีขนาดเล็กมากจนพฤติกรรมส่วนรวมในหมู่พวกมันถูกกลบด้วยอิทธิพลที่ใหญ่กว่าเมื่ออิเล็กตรอนไหลผ่านโลหะธรรมดา แต่ในวัสดุบางอย่างและภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ ผลกระทบดังกล่าวจะจางหายไป และอิเล็กตรอนสามารถมีอิทธิพลต่อกันและกันโดยตรง ในกรณีเหล่านี้ อิเล็กตรอนสามารถไหลรวมกันเหมือนของเหลว
ตอนนี้ นักฟิสิกส์ที่ MIT และสถาบันวิทยาศาสตร์ Weizmann ได้สังเกตเห็นอิเล็กตรอนที่ไหลในกระแสน้ำวนหรือกระแสน้ำวน ซึ่งเป็นเครื่องหมายของการไหลของของไหลที่นักทฤษฎีคาดการณ์ว่าอิเล็กตรอนควรจะแสดงออกมา แต่ก็ยังไม่เคยเห็นมาก่อนจนถึงตอนนี้
Leonid Levitov ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ MIT กล่าวว่า “ทฤษฎีการวนของอิเล็กตรอนนั้นคาดหมายได้ แต่ไม่มีข้อพิสูจน์โดยตรง และการเห็นก็เชื่อได้” “ตอนนี้เราได้เห็นแล้ว และมันเป็นสัญญาณบ่งบอกชัดเจนว่าอยู่ในระบอบการปกครองใหม่นี้ ซึ่งอิเล็กตรอนทำตัวเป็นของเหลว ไม่ใช่เป็นอนุภาคเดี่ยว”
ข้อสังเกตที่รายงานในวันนี้ในวารสารNatureสามารถแจ้งการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
“เราทราบดีว่าเมื่อใดที่อิเล็กตรอนอยู่ในสถานะของเหลว การสูญเสียพลังงาน [พลังงาน] จะลดลง และนั่นเป็นเรื่องที่น่าสนใจในการพยายามออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานต่ำ” Levitov กล่าว “การสังเกตใหม่นี้เป็นอีกก้าวหนึ่งในทิศทางนั้น”
Levitov เป็นผู้ร่วมเขียนบทความฉบับใหม่นี้ร่วมกับ Eli Zeldov และคนอื่นๆ ที่สถาบัน Weizmann Institute for Science ในอิสราเอลและมหาวิทยาลัยโคโลราโดที่เดนเวอร์
บีบรวม
เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านโลหะและเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป โมเมนต์และวิถีของอิเล็กตรอนในกระแสจะได้รับอิทธิพลจากสิ่งเจือปนในวัสดุและการสั่นสะท้านระหว่างอะตอมของวัสดุ กระบวนการเหล่านี้ครอบงำพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในวัสดุธรรมดา
แต่นักทฤษฎีคาดการณ์ว่าหากไม่มีกระบวนการที่ธรรมดาและคลาสสิกเช่นนี้ เอฟเฟกต์ควอนตัมก็ควรเข้ามาแทนที่ กล่าวคืออิเล็กตรอนควรจับพฤติกรรมควอนตัมที่ละเอียดอ่อนของกันและกันและเคลื่อนที่รวมกันเป็นของเหลวอิเล็กตรอนที่มีความหนืดเหมือนน้ำผึ้ง พฤติกรรมที่เหมือนของเหลวนี้ควรปรากฏในวัสดุที่ทำความสะอาดเป็นพิเศษและที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์
ในปี 2560 เลวิตอฟและเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์รายงานลายเซ็นของพฤติกรรมอิเล็กตรอนที่มีลักษณะคล้ายของเหลวในกราฟีน ซึ่งเป็นแผ่นคาร์บอนบางอะตอมซึ่งพวกมันสลักช่องบาง ๆ ที่มีจุดบีบหลายจุด พวกเขาสังเกตเห็นว่ากระแสที่ส่งผ่านช่องสามารถไหลผ่านข้อ จำกัด ได้โดยมีความต้านทานเพียงเล็กน้อย สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าอิเล็กตรอนในกระแสน้ำสามารถบีบผ่านจุดหยิกรวมกันได้ เหมือนกับของเหลว แทนที่จะอุดตัน เหมือนเม็ดทรายแต่ละเม็ด
ข้อบ่งชี้แรกนี้กระตุ้นให้ Levitov สำรวจปรากฏการณ์ของไหลอิเล็กตรอนอื่นๆ ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ เขาและเพื่อนร่วมงานที่ Weizmann Institute for Science มองหาการแสดงภาพกระแสน้ำวนของอิเล็กตรอน ขณะที่พวกเขาเขียนในบทความของพวกเขา “คุณลักษณะที่โดดเด่นและแพร่หลายที่สุดในการไหลของของไหลปกติ การก่อตัวของกระแสน้ำวนและความปั่นป่วน ยังไม่ได้รับการสังเกตในของเหลวอิเล็กตรอนแม้จะมีการทำนายตามทฤษฎีมากมาย”
ช่องทางการไหล
เพื่อให้เห็นภาพอิเล็กตรอน vortices ทีมงานได้มองไปที่ทังสเตนไดเทลลูไรด์ (WTe2) ซึ่งเป็นสารประกอบโลหะที่มีความสะอาดสูงซึ่งพบว่ามีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่แปลกใหม่เมื่อถูกแยกออกมาในรูปแบบสองมิติที่บางอะตอมเดียว
“ทังสเตนไดเทลลูไรด์เป็นหนึ่งในวัสดุควอนตัมใหม่ที่อิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์รุนแรงและทำตัวเป็นคลื่นควอนตัมมากกว่าอนุภาค” เลวิตอฟกล่าว “นอกจากนี้ วัสดุนั้นสะอาดมาก ซึ่งทำให้สามารถเข้าถึงพฤติกรรมที่เหมือนของเหลวได้โดยตรง”
นักวิจัยได้สังเคราะห์ผลึกเดี่ยวบริสุทธิ์ของทังสเตนไดเทลลูไรด์และผลัดเซลล์ผิวที่เป็นสะเก็ดบางๆ ของวัสดุ จากนั้นจึงใช้เทคนิค E-beam lithography และ plasma etching เพื่อจัดรูปแบบเกล็ดแต่ละชิ้นให้กลายเป็นช่องตรงกลางที่เชื่อมต่อกับห้องทรงกลมที่ด้านใดด้านหนึ่ง พวกเขาสลักลวดลายเดียวกันลงในเกล็ดทองคำบาง ๆ ซึ่งเป็นโลหะมาตรฐานที่มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์แบบคลาสสิก
จากนั้นพวกเขาก็วิ่งกระแสผ่านตัวอย่างที่มีลวดลายแต่ละตัวอย่างที่อุณหภูมิต่ำมากที่ 4.5 เคลวิน (ประมาณ -450 องศาฟาเรนไฮต์) และวัดการไหลของกระแสที่จุดเฉพาะทั่วทั้งตัวอย่างแต่ละตัวอย่างโดยใช้อุปกรณ์การรบกวนควอนตัมที่มีตัวนำยิ่งยวด (SQUID) การสแกนระดับนาโน อุปกรณ์นี้ได้รับการพัฒนาในห้องปฏิบัติการของ Zeldov และวัดสนามแม่เหล็กด้วยความแม่นยำสูงมาก ทีมงานสามารถสังเกตรายละเอียดว่าอิเล็กตรอนไหลผ่านช่องสัญญาณที่มีลวดลายในแต่ละวัสดุโดยใช้อุปกรณ์สแกนแต่ละตัวอย่าง
นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าอิเล็กตรอนที่ไหลผ่านช่องสัญญาณที่มีลวดลายในเกล็ดทองคำนั้นกระทำโดยไม่มีทิศทางย้อนกลับ แม้ว่ากระแสไฟฟ้าบางส่วนจะไหลผ่านช่องด้านข้างแต่ละช่องก่อนที่จะรวมเข้ากับกระแสหลัก ในทางตรงกันข้าม อิเล็กตรอนที่ไหลผ่านทังสเตนไดเทลลูไรด์จะไหลผ่านช่องทางและหมุนวนเข้าไปในแต่ละห้องด้านข้าง มากเท่ากับที่น้ำทำเมื่อเทลงในชาม อิเล็กตรอนสร้างกระแสน้ำวนขนาดเล็กในแต่ละห้องก่อนที่จะไหลกลับเข้าไปในช่องหลัก
“เราสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงในทิศทางการไหลในห้องเพาะเลี้ยง โดยที่ทิศทางการไหลกลับทิศทางเมื่อเทียบกับทิศทางในแถบตรงกลาง” เลวิตอฟกล่าว “นั่นเป็นสิ่งที่น่าทึ่งมาก และมันเป็นฟิสิกส์เดียวกันกับของเหลวทั่วไป แต่เกิดขึ้นกับอิเล็กตรอนในระดับนาโน นั่นเป็นลายเซ็นที่ชัดเจนของอิเล็กตรอนที่อยู่ในระบอบการปกครองแบบของเหลว”
การสังเกตของกลุ่มนี้เป็นการแสดงภาพโดยตรงครั้งแรกของกระแสน้ำวนหมุนวนในกระแสไฟฟ้า การค้นพบนี้แสดงถึงการยืนยันการทดลองเกี่ยวกับคุณสมบัติพื้นฐานในพฤติกรรมของอิเล็กตรอน พวกเขาอาจเสนอเบาะแสว่าวิศวกรอาจออกแบบอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำซึ่งนำไฟฟ้าในลักษณะที่ลื่นไหลมากขึ้นและมีความต้านทานน้อยกว่าได้อย่างไร
Klaus Ensslin ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ ETH Zurich ในสวิตเซอร์แลนด์ กล่าวว่า “มีการรายงานสัญญาณการไหลของอิเล็กตรอนที่มีความหนืดในการทดลองหลายครั้งกับวัสดุต่างๆ “การคาดการณ์ทางทฤษฎีของกระแสน้ำวนที่เหมือนกระแสน้ำได้รับการยืนยันจากการทดลองแล้ว ซึ่งเพิ่มหลักชัยสำคัญในการสืบสวนระบอบการขนส่งแบบใหม่นี้”
งานวิจัยนี้ส่วนหนึ่งได้รับการสนับสนุนโดย European Research Council มูลนิธิ German-Israeli Foundation for Scientific Research and Development และโดย Israel Science Foundation
