นักฟิสิกส์สังเกตอิเล็กตรอนที่ไหลเข้าสู่กระแสน้ำวน

เป็นครั้งแรกที่นักฟิสิกส์ได้เห็นบางสิ่งที่น่าตื่นเต้นอย่างไม่น่าเชื่อ นั่นคือ อิเล็กตรอนที่ก่อตัวเป็นกระแสน้ำวนเหมือนกับของเหลว

พฤติกรรมนี้เป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ไว้นานแล้ว แต่ไม่เคยสังเกตมาก่อน และอาจเป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยุคหน้าให้มีประสิทธิภาพและรวดเร็วยิ่งขึ้น

UFA Slot

บทความแนะนำ : doook.net

นักฟิสิกส์ Leonid Levitov จาก MIT หนึ่งในนักวิจัยที่อยู่เบื้องหลังการศึกษาครั้งใหม่นี้กล่าวว่า “ในทางทฤษฎีคาดว่ากระแสน้ำวนของอิเล็กตรอน แต่ไม่มีข้อพิสูจน์โดยตรง และการเห็นก็เชื่อได้”

“ตอนนี้เราได้เห็นแล้ว และมันเป็นสัญญาณบ่งบอกชัดเจนว่าอยู่ในระบอบการปกครองใหม่นี้ ซึ่งอิเล็กตรอนทำตัวเป็นของเหลว ไม่ใช่เป็นอนุภาคเดี่ยวๆ”

ในขณะที่อิเล็กตรอนที่ไหลในกระแสน้ำวนอาจไม่ฟังดูแปลกใหม่ แต่นี่เป็นเรื่องใหญ่เพราะการไหลเหมือนของเหลวส่งผลให้มีการส่งพลังงานไปยังจุดสิ้นสุดมากกว่า แทนที่จะสูญหายระหว่างทางในขณะที่อิเล็กตรอนถูกกระแทกโดยสิ่งต่างๆ เช่น สิ่งเจือปนใน วัสดุหรือการสั่นสะเทือนในอะตอม

“เราทราบดีว่าเมื่อใดที่อิเล็กตรอนอยู่ในสถานะของเหลว การสูญเสียพลังงาน [พลังงาน] จะลดลง และนั่นเป็นเรื่องที่น่าสนใจที่จะพยายามออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานต่ำ” Levitovกล่าว “การสังเกตใหม่นี้เป็นอีกก้าวหนึ่งในทิศทางนั้น”

งานนี้เป็นการทดลองร่วมกันระหว่าง MIT, Weizmann Institute for Science ในอิสราเอล และ University of Colorado ที่เดนเวอร์

แน่นอน เรารู้อยู่แล้วว่าอิเล็กตรอนสามารถกระเด้งออกจากกันและไหลโดยไม่มีความต้านทานในตัวนำยิ่งยวดแต่นี่เป็นผลมาจากการก่อตัวของสิ่งที่เรียกว่า ‘ คูเปอร์คู่ ‘ และไม่ใช่ตัวอย่างที่แท้จริงของอิเล็กตรอนที่ไหลรวมกันเหมือน ของเหลว

ใช้น้ำตัวอย่างเช่น โมเลกุลของน้ำเป็นอนุภาคเดี่ยว แต่พวกมันเดินทางเป็นหนึ่งเดียวตามหลักการของพลศาสตร์ของไหล โดยพากันข้ามพื้นผิว ทำให้เกิดกระแสน้ำและกระแสน้ำวน

โดยพื้นฐานแล้วกระแสไฟฟ้าควรทำเช่นเดียวกัน แต่พฤติกรรมส่วนรวมของอิเล็กตรอนมักจะถูกแทนที่ด้วยสิ่งสกปรกและการสั่นสะเทือนในโลหะปกติและแม้แต่เซมิคอนดักเตอร์ ‘สิ่งรบกวน’ เหล่านี้เคาะอิเล็กตรอนไปรอบๆ ขณะเคลื่อนที่และหยุดไม่ให้แสดงพฤติกรรมเหมือนของเหลว

เป็นที่คาดการณ์มานานแล้วว่าภายในวัสดุพิเศษที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์ การรบกวนเหล่านี้ควรหายไปโดยปล่อยให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เหมือนของเหลว… แต่ปัญหาคือยังไม่มีใครสามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นกรณีนี้จริงๆ จนถึงตอนนี้

มีลักษณะพื้นฐานสองประการของของไหล: การไหลเชิงเส้น โดยที่อนุภาคที่แยกจากกันทั้งหมดจะไหลขนานกันเป็นหนึ่งเดียว และการก่อตัวของกระแสน้ำวนและกระแสน้ำวน

ครั้งแรกถูกสังเกตโดย Levitov และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ในปี 2560 โดยใช้กราฟีน ในแผ่นคาร์บอนบางอะตอม เลวิตอฟและทีมของเขาแสดงให้เห็นว่ากระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านจุดหยิกเหมือนของไหล แทนที่จะไหลเหมือนเม็ดทราย

แต่ไม่มีใครเห็นคุณลักษณะที่สอง นักวิจัยเขียน ว่า”คุณลักษณะที่โดดเด่นและแพร่หลายที่สุดในการไหลของของไหลปกติ การก่อตัวของกระแสน้ำวนและความปั่นป่วน ยังไม่ได้รับการสังเกตในของเหลวอิเล็กตรอน แม้จะมีการคาดการณ์ตามทฤษฎีมากมาย” นักวิจัยเขียน

เพื่อหาสิ่งนี้ ทีมงานได้นำผลึกเดี่ยวบริสุทธิ์ของวัสดุที่สะอาดเป็นพิเศษที่เรียกว่าทังสเตน ไดเทลลูไรด์ (WTe 2 ) และหั่นเป็นชิ้นบาง ๆ อะตอม

จากนั้นจึงแกะสลักลวดลายลงในช่องกลางโดยมีห้องทรงกลมทั้งสองด้าน ทำให้เกิด “เขาวงกต” เพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน พวกเขาแกะสลักลวดลายเดียวกันบนสะเก็ดทองคำ ซึ่งไม่มีคุณสมบัติสะอาดเป็นพิเศษเหมือนกับไดเตลลูไรด์ทังสเตน จึงทำหน้าที่เป็นตัวควบคุม

ทองทดลองกับของเหลว(Aharon-Steinberg et al., ธรรมชาติ , 2022)ด้านบน: แผนภาพด้านซ้ายแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนไหลอย่างไรในการทดลองในเกล็ดทองคำ (Au) ภาพทางด้านขวาแสดงการจำลองว่าพวกเขาคาดหวังว่าอิเล็กตรอนที่มีลักษณะคล้ายของเหลวจะมีพฤติกรรมอย่างไร

หลังจากทำให้วัสดุเย็นลงเหลือประมาณ -269 องศาเซลเซียส (4.5 เคลวินหรือ -451.57 ฟาเรนไฮต์) พวกเขาก็ส่งกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไปและวัดการไหลที่จุดเฉพาะทั่วทั้งวัสดุ เพื่อทำแผนที่ว่าอิเล็กตรอนไหลอย่างไร

 

 

Releated