Pas vitesh kërkimesh, fizikantët vëzhgojnë elektronet që rrjedhin në vorbulla të ngjashme me lëngun

Për herë të parë, fizikantët kanë dëshmuar diçka tepër emocionuese: elektronet që formojnë vorbulla njësoj si një lëng.

Kjo sjellje është ajo që shkencëtarët e kanë parashikuar prej kohësh, por nuk e kanë vërejtur kurrë më parë. Dhe mund të jetë çelësi për zhvillimin e elektronikës më efikase dhe më të shpejtë të gjeneratës së ardhshme.

“Vorbullat e elektroneve priten në teori, por nuk ka prova të drejtpërdrejta, dhe të shohësh është të besosh,” thotë një nga studiuesit pas studimit të ri, fizikanti Leonid Levitov nga MIT.

“Tani ne e kemi parë atë dhe është një nënshkrim i qartë i të qenit në këtë regjim të ri, ku elektronet sillen si një lëng, jo si grimca individuale.”

Ndërsa elektronet që rrjedhin në një vorbull mund të mos tingëllojnë aq novator, kjo është një gjë e madhe, sepse rrjedhja si një lëng rezulton në dërgimin e më shumë energjisë në pikën përfundimtare, në vend që të humbasë gjatë rrugës, ndërsa elektronet lëvizin përreth nga gjëra të tilla si papastërtitë në material ose dridhje në atome.

“Ne e dimë se kur elektronet shkojnë në një gjendje fluide, shpërndarja [energjia] bie, dhe kjo është me interes në përpjekjen për të dizajnuar elektronikë me fuqi të ulët,” thotë Levitov. “Ky vëzhgim i ri është një hap tjetër në atë drejtim.”

Puna ishte një eksperiment i përbashkët midis MIT, Institutit Weizmann për Shkencën në Izrael dhe Universitetit të Kolorados në Denver.

Sigurisht, ne tashmë e dimë se elektronet mund të kërcejnë nga njëri-tjetri dhe të rrjedhin pa rezistencë në superpërcjellës, por ky është rezultat i formimit të diçkaje të njohur si ‘çiftet e Cooper’ dhe nuk është një shembull i vërtetë i elektroneve që rrjedhin kolektivisht si një lëng.

Merrni ujë, për shembull. Molekulat e ujit janë grimca individuale, por ato udhëtojnë si një, sipas parimeve të dinamikës së lëngjeve, duke bartur njëra-tjetrën nëpër një sipërfaqe, duke krijuar rrjedha dhe vorbulla ndërsa shkojnë.

Një rrymë elektrike në thelb duhet të jetë në gjendje të bëjë të njëjtën gjë, por çdo sjellje kolektive e elektroneve zakonisht tejkalohet nga papastërtitë dhe dridhjet në metale normale dhe madje edhe në gjysmëpërçues. Këto ‘shpërqendrime’ trokasin elektronet teksa udhëton dhe i ndalojnë ata të shfaqin sjellje të ngjashme me lëngun.

Është parashikuar prej kohësh që brenda materialeve speciale në temperatura afër zeros, këto ndërhyrje duhet të zhduken duke lejuar elektronet të lëvizin si një lëng… por problemi ishte se askush nuk kishte qenë në gjendje të vërtetonte se ishte kështu, deri më tani.

Ekzistojnë dy tipare themelore të një lëngu: rrjedha lineare, ku grimcat e veçanta rrjedhin të gjitha paralelisht si një; dhe formimi i vorbullave dhe vorbullave.

E para u vëzhgua nga Levitov dhe kolegët në Universitetin e Mançesterit në vitin 2017 duke përdorur grafen. Në fletët e karbonit të hollë si atomi, Levitov dhe ekipi i tij treguan se një rrymë elektrike mund të rrjedhë përmes një pike si lëngu, në vend që të jetë si kokrra rëre.

Por askush nuk e kishte parë tiparin e dytë. “Karakteristika më e habitshme dhe e kudondodhur në rrjedhën e lëngjeve të rregullta, formimi i vorbullave dhe turbulencave, nuk është vërejtur ende në lëngjet elektronike pavarësisht parashikimeve të shumta teorike”, shkruajnë studiuesit.

Për ta kuptuar këtë, ekipi mori kristale të pastra, të vetme të një materiali ultra të pastër të njohur si ditelluride tungsten (WTe2) dhe i preu thekon të holla me një atom.

Ata pastaj gdhendën një model në një kanal qendror me një dhomë rrethore në të dyja anët, duke krijuar një ‘labirint’ për të kaluar përmes një rryme elektrike. Ata gdhendën të njëjtin model në thekon ari, i cili nuk ka të njëjtat veti ultra të pastra si diteluridi i tungstenit dhe për këtë arsye veproi si një kontroll.

Diagrami në të majtë tregon se si elektronet rrodhën në eksperiment në thekon ari (Au). Imazhi në të djathtë tregon një simulim se si ata do të prisnin që elektronet të ngjashme me lëngun të sillen.

Pas ftohjes së materialit në rreth -269 gradë Celsius (4,5 Kelvin ose -451,57 Fahrenheit), ata kaluan një rrymë elektrike përmes tij dhe matën rrjedhën në pika të veçanta në të gjithë materialin, për të hartuar se si po rrjedhin elektronet.

Në thekonet e arit, elektronet rrodhën nëpër labirint pa ndryshuar drejtimin, edhe kur rryma kishte kaluar nëpër secilën dhomë anësore përpara se të kthehej në rrymën kryesore.

Në të kundërt, brenda diteluridit të tungstenit, elektronet rrodhën përmes kanalit dhe më pas u rrotulluan në secilën dhomë anësore duke krijuar vorbulla, përpara se të ktheheshin në kanalin kryesor – siç do të prisnit një lëng.

“Ne vumë re një ndryshim në drejtimin e rrjedhës në dhomat, ku drejtimi i rrjedhës ndryshonte drejtimin në krahasim me atë në brezin qendror,” thotë Levitov.

“Kjo është një gjë shumë e habitshme, dhe është e njëjta fizikë si ajo në lëngjet e zakonshme, por që ndodh me elektronet në shkallë nano. Ky është një nënshkrim i qartë i elektroneve që janë në një regjim të ngjashëm me lëngun.”

Kolona në të majtë tregon se si elektronet rrodhën përmes diteluridit të tungstenit (WTe2) në krahasim me simulimet hidrodinamike në kolonën e majtë.

Sigurisht, ky eksperiment u krye në temperatura ultra të ftohta me një material të specializuar – nuk është diçka që do të ndodhë në pajisjet e shtëpisë tuaj së shpejti. Kishte gjithashtu kufizime në madhësi në dhomat dhe kanalin e mesëm.

Por ky është “vizualizimi i parë i drejtpërdrejtë i vorbullave rrotulluese në një rrymë elektrike”, siç shpjegon njoftimi për shtyp. Jo vetëm që është konfirmim se elektronet mund të sillen si një lëng, përparimi mund të ndihmojë gjithashtu inxhinierët të kuptojnë më mirë se si ta shfrytëzojnë këtë potencial në pajisjet e tyre.