Un team internazionale di fisici ha osservato per la prima volta gli elettroni che fluiscono in schemi simili a vortici noti come vortici. Prevista da tempo, ma mai vista prima negli esperimenti, questa evidenza di comportamento simile a un fluido potrebbe essere sfruttata per rendere l'elettronica più efficiente.

Nei materiali ordinari, il flusso di elettroni è fortemente influenzato dalle impurità e dalle vibrazioni atomiche, che causano entrambe la dispersione degli elettroni. Nei materiali ultrapuliti ea temperature prossime allo zero, dove tali processi classici sono assenti, gli elettroni si muovono senza ostacoli attraverso il materiale, come palle da biliardo. Nei rari casi, tuttavia, quando gli elettroni interagiscono fortemente tra loro, si prevede che gli elettroni si muovano collettivamente, come un fluido.

Nel 2017, una squadra guidata da Leonid Levitov alla MIT negli Stati Uniti, insieme ai colleghi dell'Università di Manchester nel Regno Unito, comportamento degli elettroni simile a un fluido osservato in un campione di grafene (un foglio di atomi di carbonio spesso un atomo) che conteneva un canale sottile con diversi punti di presa. La corrente inviata attraverso il canale scorreva attraverso le costrizioni senza quasi alcuna resistenza, il che implica che gli elettroni che compongono la corrente potrebbero spremere attraverso i punti di presa collettivamente piuttosto che attraversarli individualmente.

Gli elettroni si comportano come onde quantistiche

Nella nuova opera Eli Zeldov, insieme a Levitov e colleghi di Israele Weizmann Institute of Science e la Università del Colorado a Denver negli Stati Uniti, ha studiato gli elettroni nel ditelluride di tungsteno (WTe₂). Questo materiale è un semimetallo Weyl di tipo II ultrapulito, una classe di materiale topologico recentemente scoperta (che può essere isolante nella massa ma ha stati superficiali conduttivi dovuti all'ordine topologico protetto dalla simmetria). Wte₂ è noto per avere proprietà elettroniche esotiche quando trasformato in fiocchi bidimensionali spessi un singolo atomo. In effetti, è uno dei numerosi nuovi materiali quantistici in cui gli elettroni interagiscono fortemente e si comportano come onde quantistiche piuttosto che come particelle, spiega Levitov.

Per osservare gli elettroni che fluiscono nei vortici, i ricercatori hanno prima sintetizzato cristalli singoli puri di WTe₂ e radere le scaglie sottili del materiale. Hanno quindi utilizzato la litografia a fascio di elettroni e l'incisione al plasma per modellare ciascun fiocco in un canale stretto e due camere circolari collegate ai suoi lati.

"Questa geometria è stata progettata per consentire a possibili forze di taglio di guidare il fluido di elettroni nelle camere dalla corrente elettrica che scorre nel canale stretto", dice il membro del team Amit Aharon-Steinberg Mondo della fisica. "Abbiamo quindi utilizzato un magnetometro a scansione estremamente sensibile, progettato nel nostro laboratorio, che rileva i campi magnetici generati dal flusso di corrente elettrica".

Infine, i ricercatori hanno ricostruito la corrente elettrica dalle immagini del campo magnetico misurato per evidenziare esplicitamente i vortici.

Il regime idrodinamico

Le analisi hanno rivelato che gli elettroni che fluiscono attraverso il canale facevano vorticare gli elettroni in ciascuna camera laterale in vortici. Inoltre, i vortici erano presenti solo per piccole aperture, mentre il flusso era laminare (cioè senza vortici) per quelle più grandi. Vicino alla transizione da vorticoso a laminare, un singolo vortice nella camera è stato visto dividersi in due, comportamento che è previsto solo nel regime idrodinamico (simile a un fluido).

I risultati suggeriscono che potrebbe esistere un nuovo meccanismo idrodinamico nei cristalli puri sottili in modo tale che la diffusione della quantità di moto degli elettroni sia consentita dalla dispersione di piccoli angoli sulla superficie del materiale piuttosto che dalla dispersione convenzionale di elettroni-elettroni, che diventa molto debole a basse frequenze temperature. Questa para-idrodinamica indotta dalla superficie, come l'hanno soprannominata i ricercatori, condivide molti aspetti dell'idrodinamica ordinaria, compresi i vortici.

Secondo il team Weizmann-MIT-Colorado, i risultati potrebbero aiutare i ricercatori a progettare e sviluppare dispositivi elettronici più efficienti. "Sappiamo che quando gli elettroni entrano in uno stato fluido, la dissipazione [di energia] diminuisce, e questo è interessante nel tentativo di progettare elettronica a bassa potenza", afferma Levitov. "Questa nuova osservazione è un altro passo in quella direzione".

La ricerca è dettagliata in Natura.