Bien qu’elles soient des molécules distinctes, les molécules d’eau s’écoulent collectivement sous forme de liquide, produisant des courants, des vagues, des vortex et d’autres phénomènes fluides classiques.
Ce n’est pas le cas avec l’électricité. Bien que le courant électrique soit également une construction différente de particules – dans ce cas, des électrons – les particules sont si petites que tout comportement collectif entre elles noie l’effet plus large lorsque les électrons traversent des métaux ordinaires. Mais dans certains matériaux et dans certaines conditions, cet effet s’estompe et les électrons peuvent s’affecter directement. Dans ce cas, les électrons peuvent circuler collectivement comme un liquide.
Maintenant, des physiciens du Massachusetts Institute of Technology et du Weizmann Institute of Science ont observé des électrons circulant dans des tourbillons, ou tourbillons – des caractéristiques d’écoulement de fluide que les théoriciens avaient prédites que les électrons présenteraient, mais qu’ils n’ont pas encore vues.
“Des tourbillons électroniques sont théoriquement attendus, mais il n’y a aucune preuve directe et la visibilité est incertaine”, a déclaré Leonid Levitov, professeur de physique au MIT. “Nous l’avons vu maintenant, et c’est une preuve évidente d’être dans ce nouveau système, où les électrons se comportent comme des liquides, et non comme des particules individuelles.”
Les observations, publiées aujourd’hui dans Nature, pourraient aider à concevoir une électronique plus efficace.
On sait que lorsque les électrons se déplacent à l’état liquide, [energy] La dissipation chute, ce qui est important pour essayer de concevoir des composants électroniques à faible consommation », a déclaré Levitov. “Cette nouvelle observation est un autre pas dans cette direction.”
Levitov est co-auteur du nouveau document de recherche, avec Eli Zeldov et d’autres à l’Institut Weizmann des sciences en Israël et à l’Université du Colorado à Denver.
pression collective
Lorsque l’électricité traverse la plupart des métaux et des semi-conducteurs ordinaires, le trajet du couple et des électrons dans le courant est affecté par les impuretés du matériau et les vibrations entre les atomes du matériau. Ce processus domine le comportement des électrons dans les matériaux ordinaires.
Mais les théoriciens ont émis l’hypothèse qu’en l’absence d’un tel processus classique ordinaire, les effets quantiques prendraient le dessus. Autrement dit, les électrons doivent capter le comportement quantique exact les uns des autres et se déplacer collectivement, comme des électrons liquides épais comme du miel. Ce comportement de type fluide se produira dans les matériaux ultra-purs et à des températures proches de zéro.
En 2017, Levitov et ses collègues de l’Université de Manchester ont signalé des signes de comportement électronique fluide dans le graphène, une feuille de carbone d’épaisseur atomique dans laquelle de minces canaux ont été gravés à plusieurs points de pression. Ils notent que le courant envoyé dans la ligne peut traverser une résistance de moindre résistance. Cela suggère que les électrons dans le flux sont capables de se faufiler collectivement à travers les points de pression, comme un liquide, plutôt que de se boucher, comme des grains de sable individuels.
Cette première indication a incité Levitov à explorer d’autres phénomènes électrofluidiques. Dans la nouvelle étude, lui et ses collègues de l’Institut Weizmann des sciences ont examiné la visualisation des tourbillons d’électrons. Comme ils l’écrivent dans leur article, “les caractéristiques les plus frappantes et les plus répandues de l’écoulement uniforme des fluides, la formation de tourbillons et de turbulences, n’ont pas été observées dans les fluides électroniques malgré certaines prédictions théoriques”.
itinéraire d’écoulement
Pour visualiser les tourbillons d’électrons, l’équipe s’est penchée sur le diéthylorure de tungstène (WTe2), un composé métallique très pur qui présente d’étranges propriétés électroniques lorsqu’il est isolé sous une forme atomique unique, fine et bidimensionnelle.
“Le ditellurure de tungstène est l’un des nouveaux matériaux quantiques dans lesquels les électrons interagissent énergétiquement et se comportent comme des ondes quantiques plutôt que comme des particules”, a déclaré Levitov. “De plus, le matériau est très propre, ce qui permet un accès direct au comportement fluide.”
Les chercheurs ont synthétisé des monocristaux purs de dichlorure de tungstène et exfolié de minces flocons du matériau. Ils ont ensuite utilisé des techniques de lithographie par faisceau d’électrons et de gravure au plasma pour modéliser chaque tranche dans le canal central connecté à des espaces circulaires de chaque côté. Ils gravent le même motif sur une fine feuille d’or – un métal standard aux propriétés électroniques ordinaires et classiques.
Ils ont ensuite fait passer un courant à travers chaque échantillon à motifs à une température très basse de 4,5 K (environ -450 degrés Fahrenheit) et ont mesuré le flux de courant à des points spécifiques de chaque échantillon, à l’aide d’un dispositif d’interférence quantique supraconducteur à nano-balayage (SQUID) sur le pourboire. . . L’appareil a été développé dans le laboratoire de Zeldov et mesure les champs magnétiques avec une très grande précision. En utilisant un appareil pour scanner chaque échantillon, l’équipe a pu observer en détail comment les électrons circulent à travers les canaux à motifs de chaque matériau.
Les chercheurs ont noté que les électrons traversant les canaux à motifs de feuille d’or le faisaient sans s’inverser, même si une partie du courant traversait chaque chambre latérale avant de rejoindre le courant principal. À leur tour, les électrons traversant le dichlorure de tungstène traversent les canaux et tournent dans chaque chambre latérale, tout comme l’eau le fait lorsqu’elle est déchargée dans un récipient. Les électrons forment de minuscules tourbillons dans chaque chambre avant de refluer dans le canal principal.
“Nous avons observé un changement dans la direction du flux dans l’espace, où la direction du flux a été inversée par rapport à la voie du milieu”, a déclaré Levitov. “C’est quelque chose de vraiment incroyable, la même physique que celle trouvée dans les liquides ordinaires, mais cela se produit avec des électrons à l’échelle nanométrique. C’est une preuve évidente que les électrons existent dans des systèmes de type liquide.”
L’observation de groupe est la première visualisation directe des vortex vortex en courant électrique. Le résultat a été une confirmation expérimentale de la nature fondamentale du comportement des électrons. Ils peuvent également fournir des indices sur la manière dont les ingénieurs peuvent concevoir des dispositifs à faible puissance qui conduisent l’électricité de manière plus flexible et avec moins d’impédance.
“Des empreintes digitales de flux d’électrons visqueux ont été rapportées dans un certain nombre d’expériences sur différents matériaux”, a déclaré Klaus Enslin, professeur de physique à l’ETH Zurich en Suisse, qui n’a pas participé à l’étude. “Les prédictions théoriques du flux de courant de Foucault ont maintenant été confirmées expérimentalement, ajoutant une étape importante dans l’étude de ce nouveau système de transmission.”
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 la Fondation israélienne des sciences.
