물리학자들은 전자 소용돌이를 본다

물리학자들은 전자 소용돌이를 본다
날짜:
2022년 7월 6일
원천:
매사추세츠 공과 대학
요약:
물리학자들은 이제 전자 소용돌이를 관찰했습니다. 이론가들은 전자가 유체 흐름의 이러한 특징을 나타내야 한다고 오랫동안 예측해 왔습니다. 이 발견은 보다 효율적인 전자 장치의 설계에 정보를 제공할 수 있습니다.

그들은 개별 입자이지만 물 분자는 집합적으로 액체로 흐르며 개울, 파도, 소용돌이 및 기타 고전적인 유체 현상을 생성합니다.

전기는 그렇지 않습니다. 전류는 별개의 입자(이 경우 전자)의 구성물이기도 하지만 입자가 너무 작아서 전자가 일반 금속을 통과할 때 더 큰 영향으로 인해 입자 간의 집합적 거동이 사라집니다. 그러나 특정 재료와 특정 조건에서 이러한 효과는 사라지고 전자는 서로 직접적으로 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 경우 전자는 유체처럼 집합적으로 흐를 수 있습니다.

이제 MIT의 물리학자들과 Weizmann Institute of Science의 물리학자들은 전자가 소용돌이 또는 월풀에서 흐르는 것을 관찰했습니다. 이는 이론가들이 전자가 보여야 한다고 예측했지만 지금까지 한 번도 본 적이 없는 유체 흐름의 특징입니다.

MIT 물리학 교수인 Leonid Levitov는 "이론적으로는 전자 소용돌이가 예상되지만 직접적인 증거는 없으며 보는 것이 믿는 것"이라고 말했습니다. "이제 우리는 그것을 보았고 전자가 개별 입자가 아닌 유체로 행동하는 이 새로운 체제에 있다는 분명한 신호입니다."

Nature 저널에 보고된 관찰 결과 는 보다 효율적인 전자 장치의 설계에 도움이 될 수 있습니다.

Levitov는 "전자가 유체 상태에 있을 때 [에너지] 소실이 떨어지는 것을 알고 있으며 이는 저전력 전자 장치를 설계하려는 시도에 관심이 있습니다."라고 말했습니다. "이 새로운 관찰은 그 방향으로 가는 또 다른 단계입니다."

Levitov는 Eli Zeldov 및 이스라엘의 Weizmann Institute for Science 및 덴버의 콜로라도 대학교의 다른 사람들과 함께 새 논문의 공동 저자입니다.

집단적 압박

대부분의 일반 금속과 반도체에 전기가 흐를 때 전류에 흐르는 전자의 운동량과 궤적은 물질의 불순물과 물질의 원자 사이의 진동에 의해 영향을 받습니다. 이러한 프로세스는 일반 재료의 전자 거동을 지배합니다.

그러나 이론가들은 그러한 평범하고 고전적인 과정이 없으면 양자 효과가 대신해야 한다고 예측했습니다. 즉, 전자는 서로의 섬세한 양자 거동을 포착하고 점성, 꿀 같은 전자 유체로서 집합적으로 움직여야 합니다. 이 액체와 같은 거동은 초청정 물질과 0에 가까운 온도에서 나타납니다.

2017년 맨체스터 대학의 Levitov와 동료들은 여러 핀치 포인트가 있는 얇은 채널을 에칭한 원자 두께의 탄소 시트인 그래핀에서 유체와 같은 전자 거동의 서명을 보고했습니다. 그들은 채널을 통해 보내진 전류가 거의 저항 없이 수축부를 통해 흐를 수 있음을 관찰했습니다. 이것은 전류의 전자가 개별적인 모래 알갱이처럼 막히기보다는 유체처럼 집합적으로 핀치 포인트를 통해 압착할 수 있음을 시사했습니다.

이 첫 번째 표시로 인해 Levitov는 다른 전자 유체 현상을 탐구하게 되었습니다. 새로운 연구에서 그와 Weizmann Institute for Science의 동료들은 전자 소용돌이를 시각화하는 방법을 모색했습니다. 그들이 논문에서 썼듯이 "정규 유체의 흐름에서 가장 두드러지고 편재하는 특징인 소용돌이와 난류의 형성은 수많은 이론적 예측에도 불구하고 전자 유체에서 아직 관찰되지 않았습니다."

채널링 흐름

전자 소용돌이를 시각화하기 위해 팀은 단일 원자 두께의 2차원 형태로 분리될 때 이국적인 전자 특성을 나타내는 것으로 밝혀진 초청정 금속 화합물인 텅스텐 디텔루라이드(WTe2)를 조사했습니다.

"Tungsten ditelluride는 전자가 강하게 상호 작용하고 입자가 아닌 양자 파동으로 행동하는 새로운 양자 물질 중 하나입니다."라고 Levitov는 말했습니다. "또한 재료가 매우 깨끗하여 유체와 같은 동작을 직접 액세스할 수 있습니다."

연구원들은 텅스텐 디텔루라이드의 순수한 단결정을 합성하고 물질의 얇은 조각을 박리했습니다. 그런 다음 그들은 전자빔 리소그래피 및 플라즈마 에칭 기술을 사용하여 각 플레이크를 양쪽의 원형 챔버에 연결된 중앙 채널로 패턴화했습니다. 그들은 동일한 패턴을 얇은 금 조각으로 새겼습니다. 이는 일반적이고 고전적인 전자 특성을 가진 표준 금속입니다.

그런 다음 그들은 4.5켈빈(화씨 약 -450도)의 초저온에서 패턴화된 각 샘플에 전류를 흐르게 하고 팁에 나노스케일 스캐닝 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)를 사용하여 각 샘플 전체의 특정 지점에서 전류 흐름을 측정했습니다. 이 장치는 Zeldov의 연구실에서 개발되었으며 매우 높은 정밀도로 자기장을 측정합니다. 각 샘플을 스캔하는 장치를 사용하여 팀은 전자가 각 재료의 패턴화된 채널을 통해 어떻게 흐르는지 자세히 관찰할 수 있었습니다.

연구원들은 전류의 일부가 주 전류와 다시 합류하기 전에 각 측면 챔버를 통과할 때에도 금 조각의 패턴화된 채널을 통해 흐르는 전자가 방향을 바꾸지 않고 방향을 바꾸는 것을 관찰했습니다. 대조적으로, 텅스텐 디텔루르화물을 통해 흐르는 전자는 물이 그릇에 비울 때 하는 것처럼 채널을 통해 흐르고 각 측면 챔버로 소용돌이쳤습니다. 전자는 메인 채널로 다시 흐르기 전에 각 챔버에 작은 소용돌이를 생성했습니다.

Levitov는 "우리는 흐름 방향이 중앙 스트립의 방향과 비교하여 방향이 반대인 챔버에서 흐름 방향의 변화를 관찰했습니다."라고 말합니다. "그것은 매우 놀라운 일이며 일반 유체에서와 동일한 물리학이지만 나노 규모의 전자에서 발생합니다. 이는 전자가 유체와 같은 영역에 있다는 분명한 신호입니다."

이 그룹의 관찰은 전류에서 소용돌이치는 소용돌이의 첫 번째 직접 시각화입니다. 이 발견은 전자 거동의 기본 속성에 대한 실험적 확인을 나타냅니다. 또한 엔지니어가 더 유동적이고 덜 저항적인 방식으로 전기를 전도하는 저전력 장치를 설계할 수 있는 방법에 대한 단서를 제공할 수도 있습니다.