首次直接观察到电子涡旋
首次直接观察到电子涡旋Original Gaviota
原理 2022-07-10 05:30 Posted on 浙江
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水作为液体能产生复杂的集体性流动，带来水流、波浪、涡流和其他经典的流体现象。但微观来看，构成它们的水分子实则是离散的颗粒。
电流虽然也是由粒子（电子）构成的，却没有像水那样的集体流动性。因为电流中的粒子太小了，以至于当电子通过普通金属时，它们之间的任何集体行为都被更大的影响所淹没。
但是，理论认为，在某些材料中，在某些特定的条件下，这种“更大的影响”会逐渐消失，电子可以直接相互影响。在这种情况下，电子就可以像流体那样集体流动。
现在，物理学家第一次真正观察到电子在涡旋中流动，也就是一种电子涡流。这正是理论学家所预测的电子应该表现出的流体流动的一个典型标志，在这个体系中，电子表现为一种流体，而不是单个粒子。但直到现在，我们才亲眼看见了这种理论预测。研究已于近日发表在《自然》上。
一种集体性的挤压
当电通过大多数普通金属和半导体时，电流中电子的动量和轨迹会受到材料中的杂质和材料原子间振动的影响。这些过程主导着普通材料中的电子行为。
但根据预测，在没有这些普通的经典过程时，量子效应应该会占据主导地位。也就是说，电子应该能够“留意到”彼此微妙的量子行为，并进行集体移动，就像一种黏稠的、类似蜂蜜的“电子液体”。这种液体般的行为应该出现在超净材料和近零度的温度条件下。
2017年，研究人员报道了石墨烯中这种液体般的电子行为的特征。石墨烯是一种只有原子厚度的碳片，他们在石墨烯上蚀刻了一条有数个箍缩点的薄通道，并观察到，通过通道的电流可以在几乎没有阻力的情况下流经这些缩窄点。这表明，电流中的电子能够像流体一样集体挤过箍缩点，而不是像单独的沙粒那样堵塞在那里。
这种初步迹象让团队希望继续探索其他电子流体现象。在我们平日所见的常规流体流动中，最引人注目和无处不在的特征就是涡旋和湍流的形成。尽管有许多理论预测，但这类现象在电子流体中尚未观察到。在新的研究中，团队找到了一条可直接观察电子涡旋的可视化途径。
引导流动
为了将电子涡旋可视化，他们将目光投向了二碲化钨（WTe₂）。这是一种超净金属化合物，它的单原子厚度的二维形式可以表现出奇异的电子特性。它是新型的量子材料之一，其中的电子具有强相互作用，并表现为量子波而不是粒子。此外，由于这种材料非常干净，使得类似流体的行为可以直接获得。
研究人员合成了二碲化钨的纯单晶，并剥离出了这种材料的薄片。然后，他们使用电子束光刻和等离子体蚀刻技术，让每个薄片形成一个中心通道，与两侧的圆形室相连。他们在金的薄片上蚀刻出了同样的图案，作为一种具有普通的经典电子特性的标准金属的对照。
随后，在4.5开氏度的超低温度下，电流会通过每个样品，并在每个样品的特定点上进行测量。研究使用了尖端的纳米级扫描超导量子干涉装置（SQUID），它能以极高的精度测量磁场。利用这台装置扫描每个样品，团队就能详细观察电子如何在每种材料的通道中流动。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHObSlG9gI9dVHJPjkUe0tuNLjSicOgYcBibGOlJnsf5UEFFicJuTkMFIekIJswD4NpsVDrAdBVmQQmzQ/640?wx_fmt=jpeg实验示意图，左边（a）为金片，右边（b）为二碲化钨，图中箭头和颜色代表不同电流方向的区分。（图／Aharon-Steinberg, A. et al.）
研究人员观察到，流过金片通道的电子没有逆转方向，即使一些电流在与主电流汇合之前就通过了两侧的腔室也是如此。
与之相反的是，流经二碲化钨的电子会流经通道，并旋流进两侧的腔室中，就像水倒入碗中时那样。电子在每个腔室中形成了小的涡流，然后再流回主通道。也就是说，与中心条带的流动方向相比，腔室中的流动方向发生了逆转。
这非常引人注目，它其实与普通流体中的物理一样，但却发生在纳米尺度的电子上。这正是电子处于类似流体状态的一个明显特征。
基本属性的实验确认
这是第一次直接观察到电子流中的涡旋，这些发现代表了对电子行为中一个基本属性的实验确认。
它们实际上还能为工程师们提供线索，为设计更有效的电子产品提供参考。当电子处于流体状态时，能量耗散会下降，这对设计出以更流畅、更小阻力的方式导电的低功耗的电子产品的尝试具有特别的意义。
#创作团队：
编译：Gaviota排版：雯雯
#参考来源：
https://news.mit.edu/2022/electron-whirlpools-physics-0706#图片来源：
封面图&首图：Christine Daniloff, MIT
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