Elektrik Girdapları İlk Kez Gözlendi

Fizikçiler, girdaplardaki su moleküllerine benzer bir şekilde etkileşime giren elektronlar tarafından yapılan elektrik girdaplarını gözlemlediler ve sonunda teorisyenlerin uzun süredir devam eden tahminlerini doğruladılar.

Elektriği öğretirken, popüler ancak çok eleştirilen bir benzetme, suyun borulardan akmasıdır; voltaj, yükseklikteki değişikliğin karşılığıdır ve akım, bir devredeki akış miktarıdır. Bazı öğrenciler analojiyi yararlı buluyor, ancak birçok fizikçi elektronların ve su moleküllerinin davranış biçimlerindeki farklılıklar nedeniyle bunun yanıltıcı olduğunu düşünüyor.

Ancak bazı malzemelerde analoji gerçek oluyor; Elektronlar birbirlerini su molekülleri arasındaki etkileşimlere daha çok benzeyen şekillerde etkileyerek sıvı benzeri davranışa yol açar. Bu tür davranışların bir biçimi, daha önce anlaşılması zor olduğu kanıtlanan ve şimdi Nature'da ilk kez tanımlanan girdapların yaratılmasıdır.

MIT Profesörü Leonid Levitov yaptığı açıklamada, "Teoride elektron girdapları bekleniyor, ancak doğrudan bir kanıt yok ve görmek inanmaktır." dedi. "Şimdi bunu gördük ve bu, elektronların bireysel parçacıklar olarak değil, bir sıvı gibi davrandığı bu yeni düzende olmanın açık bir işareti."

Bu koşullar altında tanık olunan garip olaylar arasında negatif direnç ve elektronların dar boşluklardan geçmek için işbirliği yapıyormuş gibi göründüğü "süper balistik elektron akışı" var.

Bir elektrik akımının parçası olarak hareket eden tek bir elektron, çok çeşitli kuvvetlere tabidir. Bunlar, iletken malzemedeki atomların hareketini, akışını etkileyebilecek safsızlıkları ve ilk etapta hareket etmesine neden olan voltajı içerir. Akımın bir parçası olan diğer elektronların da etkisi vardır, ancak çoğu malzemede bu, diğer her şeye kıyasla önemsizdir. Elektron çiftlerinin tek bir elektron için mümkün olandan daha düzgün hareket ettiği süper iletken malzemeler kısmi bir istisnayı temsil eder.

Bununla birlikte, diğer her şeyi yavaşlatabilirseniz, elektronlar arasındaki kuantum etkileşimleri baskın hale gelir. Elektronlar viskoz bir sıvı olarak hareket eder. Bu durumu elde etmek için, içinde seyahat ettikleri malzemelerin safsızlıklardan arındırılması ve mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa soğutulması gerekir, böylece atomların hareketleri neredeyse yok olur.

Levitov ve meslektaşları bu özellikleri kullanarak 2017 yılında grafen üzerinden neredeyse dirençsiz elektron akışı elde ettiler. Ancak su her zaman düzgün akmıyor. Bunun yerine çalkantılı hale gelebilir ve hatta girdaplar oluşturabilir. Yazarlar grafende karşılaştırılabilir bir davranış gözlemlemediler, bu yüzden bunun yerine tek atom kalınlığında tungsten ditellürid (WTe2) tabakalarına yöneldiler.

WTe2 sadece elektronların dalga benzeri özelliklerini ortaya çıkarmakla kalmıyor, Levitov şunları kaydetti: “Malzeme çok temiz, bu da sıvı benzeri davranışı doğrudan erişilebilir kılıyor.” Yazarlar, karşılaştırma için WTe2 ve altın levhalar üzerine iki dairesel oda arasında uzanan bir kanal kazıdı. 4.5°K'da (-268.65°C) akımlar desenlemeden geçtiğinde, manyetik alanlar elektronların davranışını ortaya çıkardı.

Tungsten ditellüridde yan kanallara akan elektronlar girdaplar oluşturur, ancak bu altında olmaz.

 

Yazarlar, yan odalara giren ve çıkan elektronların yollarında küçük girdaplar oluşturduğuna tanık olabildiler, ancak altın değil, yalnızca tungsten ditellüridde.

Levitov, "Akış yönünün merkezi şeritle karşılaştırıldığında yönünü tersine çevirdiği odalarda akış yönünde bir değişiklik gözlemledik." dedi. "Bu çok çarpıcı bir şey ve sıradan sıvılardaki fizikle aynı, ancak nano ölçekte elektronlarla oluyor. Bu, sıvı benzeri bir düzende bulunan elektronların açık bir işaretidir."

Bu girdapları üretmek için dikkatle kontrol edilmesi gereken koşullar - eğer elektronların aktığı boşluklar girdapları genişlettiyse ve aslında herhangi bir türbülans - ortadan kalktı. Düzgün akışın türbülansın yerini aldığı geçiş noktasına yakın bir yerde, Levitov ve ekibinin tanık olmayı umduğu öngörülen davranışlardan biri olan, bir girdabın ikiye ayrıldığı görüldü.

Gözlemlerin, düşük enerjili elektroniklere daha verimli güç sağlama yollarına öncülük etmek gibi gerçek dünya uygulamalarına sahip olacağı umulmaktadır.

Bu içerik IFLSCIENCE’da yayınlanmıştır.