Elektronit käyttäytyvät hienojakoisemmin

MIT:n ja Weizmann Institute of Sciencen fyysikot ovat havainnoineet ensimmäistä kertaa elektronipyörteitä.

Vaikka vesimolekyylit ovat erillisiä hiukkasia, ne virtaavat kollektiivisesti nesteinä tuottaen virtoja, aaltoja, pyörteitä ja muita klassisia nesteilmiöitä. Myös sähkövirta on erillisten elektronien rakennelma, mutta hiukkaset ovat niin pieniä, että niiden välinen kollektiivinen käyttäytyminen hukkuu suurempiin vaikutuksiin, kun elektronit kulkevat tavallisten metallien läpi.

Teoreetikot ovat ennustaneet, että tietyissä materiaaleissa ja tietyissä olosuhteissa tällaiset vaikutukset häviävät ja elektronit voivat vaikuttaa suoraan toisiinsa. Näissä tapauksissa elektronit voivat virrata kollektiivisesti nesteen tavoin.

"Tiedämme, että kun elektronit liikkuvat nestemäisellä tavalla, energian hävikki vähenee ja se on kiinnostavaa yritettäessä suunnitella pienitehoista elektroniikkaa", Leonid Levitov sanoo. "Tämä uusi havainto on uusi askel siihen suuntaan."

Tutkijoiden mukaan havainnot viittaavat uuteen hydrodynaamisen virtauksen mekanismiin ohuissa puhtaissa kiteissä. Saavutus avaa uusia mahdollisuuksia elektronifluidiikan tutkimiseen ja hyödyntämiseen käyttämiseen korkean liikkuvuuden elektronien järjestelmissä.

Myös Columbian, Singaporen kansallisen ja Yale-NUS yliopistojen tutkijat rakentavat uutta ymmärrystä epätavallisesta hydrodynaamisesta käyttäytymisestä.

Tutkijat osoittivat grafeenista valmistetulla materiaalilla, että elektronit kulkevat siinä enemmän veden tapaan kuin perinteisen satunnaisen siroamisen tavalla.

Tutkijoiden mukaan työ vahvistaa viimeaikaiset teoriat hävikin mahdollistavasta hydrodynaamisesta johtavuudesta ja luo yhteyden puolijohdefysiikan ja nousevan viskoosin elektroniikan välille.

Rice yliopiston tutkijat ovat puolestaan osoittaneet erään kvanttimekaniikan säännön; elektronien kaksi ominaisuutta - spin ja varaus - kulkevat eri nopeuksilla yksiulotteisissa johtimissa.

Aiheen teoria luotiin jo 60 vuotta sitten mutta sen mittaaminen elektroniikan materiaaleissa on osoittautunut äärimmäisen vaikeaksi.

Yksiulotteisissa johteissa elektroni ei voi käyttäytyä samalla tavalla kuin kolmiulotteisissa. "1D:ssä jokainen heräte on kollektiivista", Randy Hulet sanoo. Ne ovat jumissa jonossa. Jos siirrät yhtä, on siirrettävä koko jonoa. Kun elektronit törmäävät 1D:ssä, viritteet aaltoilevat lankaa pitkin aaltoina.

"Kun integroidut piirit pienenevät, sirujen valmistajien on alettava huolehtia mittasuhteista", Hulet sanoi. "Piireistä tulee lopulta yksiulotteinen järjestelmä, jonka täytyy johtaa ja kuljettaa elektroneja samalla tavalla kuin yksiulotteiset johteet."

Tutkimus voisi auttaa kehittämään myös topologisten kvanttitietokoneiden teknologiaa. Microsoft ja muut toivovat voivansa luoda topologisia kubitteja kvanttihiukkasista, joita kutsutaan Majorana-fermioneiksi ja joita saattaa esiintyä joissakin 1D- tai 2D-suprajohteissa.

Aiheista aiemmin:

Elektronien nestettä huonelämpötilassa

Korkean lämpötilan Majoranat